Σχεδιάζοντας ένα παιχνίδι Quantum Computing Board

Πρόθυμοι να παίξουν; Δημιουργήστε το δικό σας αντίγραφο του Entanglion!
Ο κβαντικός υπολογισμός είναι ένα πεδίο ταχείας ωρίμανσης που χρησιμοποιεί κβαντομηχανικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή για την εκτέλεση υπολογισμών που θεωρούνται ακατάλληλοι για τους κλασσικούς υπολογιστές.

Αν δεν καταλάβατε μια λέξη της προηγούμενης φράσης, δεν είστε μόνοι σας! Η πρώτη μου εισαγωγή στην κβαντική υπολογιστική ήταν όταν ήμουν φοιτητής πανεπιστημίου και ένας φίλος μου είπε ότι μελετάει κβαντική υπολογιστική. Τον ρώτησα τι ήταν αυτό και μετά από πέντε λεπτά, δεν είχα ακόμα ιδέα.

Γρήγορα προς τα εμπρός έως τα μέσα του 2016, μπήκα στην ομάδα της IBM Research που ανέπτυξε το IBM Q Experience και το QISKit και χρειάστηκε να φτάσει στην ταχύτητα σε σχέση με το ακριβές περιεχόμενο των κβαντικών υπολογιστών. Διάβασα όλους τους σε απευθείας σύνδεση οδηγούς και τα σεμινάρια που θα μπορούσα να βρω και να παρακολουθούσα αμέτρητα βίντεο, αλλά κάθε φορά που σκέφτηκα ότι καταλάβαινα κάτι, βρήκα τον εαυτό μου πίσω στην αρχή, χωρίς να έχεις ισχυρή αντίληψη του υλικού. Επιπλέον, για να είμαι ειλικρινής, το υλικό ήταν δύσκολο να καταλάβει και κάλυψε πίσω από έναν τοίχο μαθηματικών εκφράσεων. Ήθελα να βρω έναν καλύτερο τρόπο να εκπαιδεύσω κάποιον σχετικά με τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής πληροφορικής.

Quantum + Επιτραπέζιο παιχνίδι = Εξαιρετικό!

Ένα Σαββατοκύριακο, ο σύζυγός μου (και ένας ερευνητής με την IBM) και αγόρασα ένα νέο επιτραπέζιο παιχνίδι για να παίξω μαζί. Το κουτί υποστήριξε ότι το παιχνίδι χρειάστηκε δύο ώρες για να παίξει, αλλά ξοδέψαμε πολύ περισσότερο χρόνο από ό, τι μαθαίνουμε τους κανόνες, προσπαθώντας να παίξουμε με στροφή, κάνοντας λάθη και διορθώνοντάς τους συνεχώς ανατρέχοντας στο βιβλίο κανόνων. Μέχρι το τέλος μπορούσαμε να παίξουμε με ένα πλήρες παιχνίδι (και όπως συνηθίζαμε, κέρδισα!), Αλλά με την ανάγνωση αυτής της διαδικασίας, ήμασταν εκπλαγμένοι από το πόσο χρόνο και ενέργεια βάζαμε στην εκμάθηση ενός παιχνιδιού με αυθαίρετους κανόνες . Τι γίνεται αν μπορούσαμε να κάνουμε το ίδιο πράγμα, αλλά να μάθουμε κάτι στο δρόμο;

Έτσι γεννήθηκε η ιδέα για ένα επιτραπέζιο παιχνίδι κβαντικών υπολογιστών.

Ο σχεδιασμός ενός παιχνιδιού είναι δύσκολος. Σχεδιάζοντας ένα κβαντικό παιχνίδι; Πολύ πιο δύσκολο.

Ο σύζυγός μου και εγώ συνεργαστήκαμε μαζί για να σχεδιάσουμε ένα επιτραπέζιο παιχνίδι με δύο στόχους: έπρεπε να είναι διασκεδαστικό και έπρεπε να διδάξει στους παίκτες βασικές αρχές της κβαντικής πληροφορικής. Και οι δύο έχουμε ένα ερευνητικό υπόβαθρο στην αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή (HCI), το οποίο αποσκοπεί στην κατανόηση και βελτίωση του τρόπου με τον οποίο οι άνθρωποι αλληλεπιδρούν με και μέσω της τεχνολογίας. Βασίσαμε σε δύο κύριες μεθόδους έρευνας από την HCI για την ανάπτυξη του παιχνιδιού μας: πρωτότυπο χαρτί και επαναληπτικό σχεδιασμό.

Ο σχεδιασμός σε χαρτί μας επέτρεψε να κάνουμε γρήγορες αλλαγές στο παιχνίδι καθώς δοκιμάσαμε νέους μηχανισμούς και κανόνες. Οι πρώτες εκδόσεις του παιχνιδιού μας δανείστηκαν πολλά εξαρτήματα από άλλα επιτραπέζια παιχνίδια που μας αρέσουν, καθώς και πολλές κολλώδεις σημειώσεις και διακοσμήσεις χαρτιού. Αφού εγκαταστάσαμε τη μηχανική του παιχνιδιού που αισθάνθηκε τη διασκέδαση, παρουσιάσαμε το πρωτότυπο μας σε μια ομάδα κβαντικών επιστημόνων στο εργαστήριό μας στην IBM Research για να πάρουμε ανατροφοδότηση σχετικά με τις επιστημονικές πτυχές. Το αγαπημένο τους σχόλιο για εμάς ήταν, "αυτό δεν είναι κβαντικό", που μας στέλνει πίσω στο σχεδιαστήριο για να σκεφτούμε νέους τρόπους να αντιπροσωπεύσουμε ένα κβαντικό σύστημα στο χαρτόνι. Καταλήξαμε στη δημιουργία πέντε μεγάλων επαναλήψεων του επιτραπέζιου παιχνιδιού μας πριν οι κβαντικοί επιστήμονες μας έδωσαν τη σφραγίδα εγκρίσεως.

Η πρώτη έκδοση του επιτραπέζιου παιχνιδιού μας δανείστηκε εξαρτήματα από το Carcassone, ένα άλλο παιχνίδι που απολαμβάνουμε.Η τρίτη επανάληψη του επιτραπέζιου παιχνιδιού μας είναι πολύχρωμη και ήταν διασκεδαστικό να παίξουμε, αλλά οι κβαντοί μας επιστήμονες θεώρησαν ότι δεν ήταν Ο Δρ Charles Bennett, συνεργάτης της IBM και πρωτοπόρος στον τομέα της κβαντικής επιστήμης των πληροφοριών, μας δίνει ανατροφοδότηση σχετικά με τη δεύτερη επανάληψη του παιχνιδιού μας.Στην επανάληψη τέσσερις, εγκαταστάσαμε ένα θέμα sci-fi στο οποίο οι παίκτες μετακινούνται τα διαστημόπλοιά τους από τον πλανήτη στον πλανήτη για να ανακτήσουν στοιχεία ενός κβαντικού υπολογιστή.

Στόχοι μάθησης

Κατά το σχεδιασμό ενός παιχνιδιού για να διδάξουμε ένα εξαιρετικά τεχνικό θέμα, σκεφτήκαμε σκληρά αν ο στόχος ήταν απλώς να εισάγουμε παίκτες σε έννοιες υψηλού επιπέδου στην κβαντική υπολογιστική ή να προχωρήσουμε βαθιά στις περίπλοκες λεπτομέρειες των αλγορίθμων κβαντικής πληροφορικής. Για να καταστήσουμε το παιχνίδι ευχάριστο για ένα ευρύ φάσμα παικτών, επιλέξαμε να δώσουμε έμφαση στην εξοικείωση με έννοιες υψηλού επιπέδου (αποκαλούμενη εννοιολογική μάθηση) αντί να εστιάζουμε βαθιά στις λεπτομέρειες των κβαντικών αλγορίθμων (αποκαλούμενη τεχνική μάθηση). Αποφασίσαμε ότι το παιχνίδι μας θα πρέπει να εκθέσει τους παίκτες σε αυτές τις θεμελιώδεις έννοιες της κβαντικής πληροφορικής: qubits και κβαντικές καταστάσεις, superposition, εμπλοκή, μέτρηση, σφάλμα και τα διάφορα είδη υλικού και λογισμικού που εμπλέκονται στη δημιουργία ενός πραγματικού κβαντικού υπολογιστή. Αρχικά στη διαδικασία σχεδιασμού μας, κάναμε το στόχο του παιχνιδιού μας να κατασκευάσουμε έναν κβαντικό υπολογιστή από τα συστατικά μέρη του!

Συνεταιριστική ή Ανταγωνιστική;

Πολλά επιτραπέζια παιχνίδια είναι ανταγωνιστικά, σκισμένα παίκτης εναντίον του παίκτη σε μια μάχη της ευφυΐας και της στρατηγικής. Δεδομένου ότι στόχος μας ήταν να κάνουμε ένα εκπαιδευτικό παιχνίδι, θεωρήσαμε ότι τα καλύτερα μαθησιακά αποτελέσματα θα συνέβαιναν όταν οι παίκτες συνεργάζονταν για να επιτύχουν το στόχο του παιχνιδιού. Δημιουργήσαμε αυτή την απόφαση από τις παρατηρήσεις που κάναμε κατά τη διάρκεια των παιχνιδιών μας - οι παίκτες συχνά έκαναν ερωτήσεις όπως: "τι συμβαίνει αν παίξω αυτό;" και "πώς λειτουργεί αυτό;" Οι συζητήσεις που ακολούθησαν συχνά οδήγησαν σε μεγαλύτερη κατανόηση οι υποκείμενες μηχανικές του παιχνιδιού, οδηγώντας σε μια ισχυρή κατανόηση των μηχανικών της κβαντικής πληροφορικής. Αυτά είναι ακριβώς τα είδη των συζητήσεων που θέλαμε οι παίκτες να έχουν ενώ παίζουμε το παιχνίδι μας, και έτσι δημιουργήσαμε το συνεταιρισμό παιχνιδιών μας.

Βαθμονόμηση της δυσκολίας του παιχνιδιού

Η ποιότητα που κάνει ένα παιχνίδι σπουδαίο έγκειται στην ικανότητά του να αμφισβητεί τον παίκτη ακριβώς το σωστό ποσό στις κατάλληλες στιγμές. Τα παιχνίδια που είναι πάρα πολύ εύκολα είναι ασήμαντα και μη ικανοποιητικά. τα παιχνίδια που είναι πολύ δύσκολα μπορεί να είναι απογοητευτικά, οδηγώντας σε εγκατάλειψη. Έτσι, είχαμε μια έντονη επιθυμία να εξασφαλίσουμε ότι το παιχνίδι ήταν αρκετά δύσκολο για να είναι διασκεδαστικό, αλλά όχι πολύ δύσκολο να προκαλέσει στους παίκτες να εγκαταλείψουν την απογοήτευση ή τη δυσαρέσκεια.

Μία πρόκληση που αντιμετωπίσαμε στη βαθμονόμηση της δυσκολίας ήταν να έχουμε αρκετά άτομα να τα δοκιμάσουμε για να είμαστε σίγουροι ότι το παιχνίδι δεν ήταν πολύ εύκολο ή πολύ δύσκολο. Για να ξεπεράσουμε αυτή την πρόκληση, εφαρμόσαμε πραγματικά ένα προσομοιωτή για τους παίκτες του παιχνιδιού και των AI που θα μπορούσαν να το παίξουν μαζί. Πραγματοποιήσαμε χιλιάδες προσομοιώσεις παιχνιδιών για να μας βοηθήσουν να βαθμονομήσουμε τη δυσκολία του παιχνιδιού, να κάνουμε τσιμπήματα και να τρέξουμε περισσότερες προσομοιώσεις για να κατανοήσουμε το αποτέλεσμά τους. Παρόλο που οι παίκτες του AI δεν καταγράφουν πραγματικά τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι θα έπαιζαν το παιχνίδι μας, αποφασίσαμε εμπειρικά ότι τα ποσοστά νίκης 50-60% για μια ομάδα AI αντιστοιχούσαν σε ένα ικανοποιητικό επίπεδο πρόκλησης για τους ανθρώπους.

Πληκτρολογήστε Entanglion

Μετά από πολλή σκληρή δουλειά με τους κβαντικούς επιστήμονες μας, τη δοκιμασία με τους συναδέλφους μας και τη διεξαγωγή χιλιάδων προσομοιώσεων παιχνιδιών, η πέμπτη μας επανάληψη έγινε το παιχνίδι που τώρα ονομάζουμε Entanglion. Το Entanglion κυκλοφόρησε το Δεκέμβριο του 2017 ως έργο ανοικτού πηγαίου κώδικα για το Github για να μπορέσει ο καθένας να το απολαύσει και να μάθει για τον κβαντικό υπολογισμό. Ενθαρρύνουμε όλους όσους ενδιαφέρονται για επιτραπέζια παιχνίδια, κβαντική υπολογιστική ή και τα δύο, να απολαύσουν το παιχνίδι μας και να το μοιραστούν με έναν φίλο.

Αφού παίξετε το παιχνίδι, μεταβείτε στο QISkit και δημιουργήστε το δικό σας παιχνίδι και μάθετε περισσότερα για την κβαντική υπολογιστική, προγραμματίζοντας ένα πραγματικό.