Thiết kế một trò chơi bảng tính toán lượng tử

Háo hức chơi? Tạo bản sao Entanglion của riêng bạn!
Điện toán lượng tử là một lĩnh vực trưởng thành nhanh chóng, sử dụng các hiện tượng cơ học lượng tử như chồng chất và vướng víu để thực hiện các tính toán được coi là không thể chấp nhận được đối với máy tính cổ điển.

Nếu bạn đã không hiểu một từ của câu trước, bạn không đơn độc! Giới thiệu đầu tiên của tôi về điện toán lượng tử là khi tôi còn là sinh viên đại học và một người bạn của tôi nói với tôi rằng ông đang học máy tính lượng tử. Tôi hỏi anh ta đây là gì, và sau năm phút, tôi vẫn không biết gì.

Chuyển nhanh đến giữa năm 2016, tôi đã tham gia nhóm nghiên cứu của IBM, người đã phát triển IBM Q Experience và QISKit, và cần phải bắt kịp tốc độ chính xác của điện toán lượng tử. Tôi đọc tất cả các hướng dẫn và hướng dẫn trực tuyến mà tôi có thể tìm và xem vô số video, nhưng mỗi lần tôi nghĩ tôi hiểu điều gì đó, tôi lại thấy mình ngay từ đầu, không nắm bắt được tài liệu. Thêm vào đó, thành thật mà nói, tài liệu này rất khó hiểu và che giấu đằng sau một bức tường biểu thức toán học. Tôi mong muốn một cách tốt hơn để giáo dục ai đó về các nguyên tắc cơ bản của điện toán lượng tử.

Quantum + Board Game = Tuyệt vời!

Một ngày cuối tuần, chồng tôi (cũng là một nhà nghiên cứu của IBM) và tôi đã mua một trò chơi cờ mới để chơi cùng nhau. Chiếc hộp tuyên bố trò chơi mất hai giờ để chơi, nhưng chúng tôi đã dành nhiều thời gian hơn việc học các quy tắc, cố gắng chơi qua một lượt, mắc lỗi và sửa chúng bằng cách liên tục quay lại quy tắc. Cuối cùng, chúng tôi đã có thể chơi qua một trò chơi đầy đủ (và theo thông lệ, tôi đã thắng!), Nhưng khi suy nghĩ về quá trình này, chúng tôi đều ngạc nhiên bởi chúng tôi đã dành bao nhiêu thời gian và năng lượng để học một trò chơi với các quy tắc tùy ý . Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể làm điều tương tự, nhưng học được điều gì đó trên đường đi?

Đây là cách mà ý tưởng cho một trò chơi bảng điện toán lượng tử ra đời.

Thiết kế một trò chơi là khó. Thiết kế một trò chơi lượng tử? Khó hơn nhiều.

Chồng tôi và tôi đã làm việc cùng nhau để thiết kế một trò chơi cờ với hai mục tiêu: nó phải vui, và nó phải dạy cho người chơi về các nguyên tắc cơ bản của điện toán lượng tử. Cả hai chúng tôi đều có một nền tảng nghiên cứu về tương tác giữa người và máy tính (HCI), nhằm mục đích hiểu và cải thiện cách mọi người tương tác và thông qua công nghệ. Chúng tôi đã dựa vào hai phương pháp nghiên cứu chính từ HCI trong việc phát triển trò chơi của mình: tạo mẫu bằng giấy và thiết kế lặp.

Thiết kế trên giấy cho phép chúng tôi thực hiện các thay đổi nhanh chóng cho trò chơi khi chúng tôi thử nghiệm các cơ chế và quy tắc mới. Các phiên bản đầu tiên của trò chơi của chúng tôi đã mượn nhiều thành phần từ các trò chơi khác mà chúng tôi thích, cộng với rất nhiều ghi chú dán và giấy cắt. Sau khi chúng tôi giải quyết được cơ chế trò chơi cảm thấy thú vị, chúng tôi đã trình bày nguyên mẫu của mình cho một nhóm các nhà khoa học lượng tử trong phòng thí nghiệm của chúng tôi tại IBM Research để nhận phản hồi về các khía cạnh khoa học. Nhận xét yêu thích của họ đối với chúng tôi là, đây không phải là lượng tử, mà gửi chúng tôi trở lại bảng vẽ để nghĩ ra những cách mới để thể hiện một hệ lượng tử bằng bìa cứng. Chúng tôi đã kết thúc việc tạo ra năm lần lặp chính của trò chơi cờ của chúng tôi trước khi các nhà khoa học lượng tử của chúng tôi cho chúng tôi con dấu phê duyệt của họ.

Phiên bản đầu tiên của trò chơi hội đồng quản trị của chúng tôi đã mượn các thành phần từ Carcassone, một trò chơi khác mà chúng tôi thích.Lặp lại thứ ba của trò chơi hội đồng quản trị của chúng tôi rất nhiều màu sắc và rất thú vị để chơi, nhưng các nhà khoa học lượng tử của chúng tôi cảm thấy nó không đủ lượng tử.Tiến sĩ Charles Bennett, thành viên IBM và là người tiên phong trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử, cho chúng tôi phản hồi về lần lặp thứ hai của trò chơi.Trong lần lặp thứ tư, chúng tôi đã giải quyết một chủ đề khoa học viễn tưởng trong đó người chơi di chuyển tàu vũ trụ của họ từ hành tinh này sang hành tinh khác để lấy các thành phần của một máy tính lượng tử.

Mục tiêu học tập

Khi thiết kế một trò chơi để dạy một chủ đề kỹ thuật cao, chúng tôi đã suy nghĩ kỹ xem liệu mục tiêu chỉ đơn giản là giới thiệu cho người chơi về điện toán lượng tử khái niệm cấp cao hay đi sâu vào các chi tiết phức tạp của thuật toán điện toán lượng tử. Để làm cho trò chơi của chúng tôi trở nên thú vị với nhiều người chơi, chúng tôi đã chọn cách nhấn mạnh vào việc làm quen với các khái niệm cấp cao (gọi là làm chủ khái niệm) thay vì tập trung sâu vào các chi tiết của thuật toán lượng tử (gọi là làm chủ kỹ thuật). Chúng tôi quyết định trò chơi của chúng tôi sẽ đưa người chơi đến những khái niệm cơ bản này trong điện toán lượng tử: qubit và trạng thái lượng tử, chồng chất, vướng víu, đo lường, lỗi và các loại thành phần phần cứng và phần mềm khác nhau liên quan đến việc xây dựng một máy tính lượng tử thực sự. Đầu tiên trong quá trình thiết kế của chúng tôi, chúng tôi đã đặt mục tiêu trò chơi của mình là xây dựng một máy tính lượng tử từ các thành phần cấu thành của nó!

Hợp tác hay cạnh tranh?

Nhiều trò chơi bảng có tính cạnh tranh, đọ sức với người chơi trong một trận chiến trí thông minh và chiến lược. Vì mục tiêu của chúng tôi là tạo ra một trò chơi giáo dục, chúng tôi cảm thấy rằng kết quả học tập tốt nhất sẽ xảy ra khi người chơi làm việc cùng nhau để hoàn thành mục tiêu trò chơi. Chúng tôi đã đưa ra quyết định này từ những quan sát mà chúng tôi đã đưa ra trong các buổi chơi của mình - những người chơi thường hỏi nhau những câu hỏi như, điều gì xảy ra nếu tôi chơi trò này? Và và điều này hoạt động như thế nào? cơ học cơ bản của trò chơi, dẫn đến một sự hiểu biết mạnh mẽ về cơ chế của điện toán lượng tử. Đây chính xác là những loại thảo luận mà chúng tôi muốn người chơi có khi chơi trò chơi của chúng tôi, và do đó chúng tôi đã làm cho trò chơi của chúng tôi hợp tác.

Hiệu chỉnh độ khó của trò chơi

Chất lượng làm cho một trò chơi tuyệt vời nằm ở khả năng thách thức người chơi đúng số lượng vào đúng thời điểm. Các trò chơi quá dễ là tầm thường và không thỏa mãn; trò chơi quá khó có thể gây nản lòng, dẫn đến bỏ cuộc. Do đó, chúng tôi có một mong muốn mạnh mẽ để đảm bảo trò chơi chỉ đủ thử thách để vui vẻ, nhưng không quá khó để khiến người chơi bỏ cuộc vì thất vọng hoặc không hài lòng.

Một thách thức mà chúng tôi gặp phải trong việc hiệu chỉnh khó khăn là có đủ người chơi thử để có thể tự tin rằng trò chơi này quá dễ hoặc quá khó. Để vượt qua thử thách này, chúng tôi thực sự đã triển khai một trình giả lập cho trò chơi và những người chơi AI có thể chơi cùng nhau. Chúng tôi đã chạy hàng ngàn mô phỏng trò chơi để giúp chúng tôi hiệu chỉnh độ khó của trò chơi, thực hiện các chỉnh sửa và chạy nhiều mô phỏng hơn để hiểu tác dụng của chúng. Mặc dù người chơi AI không thực sự nắm bắt cách mọi người chơi trò chơi của chúng tôi, nhưng về mặt thực nghiệm, chúng tôi đã quyết định rằng tỷ lệ thắng 50 506060 cho một đội AI tương ứng với mức độ thử thách phù hợp cho người chơi.

Nhập Entanglion

Sau rất nhiều nỗ lực lặp đi lặp lại với các nhà khoa học lượng tử của chúng tôi, chơi đùa với các đồng nghiệp của chúng tôi và chạy hàng ngàn mô phỏng trò chơi, lần lặp thứ năm của chúng tôi đã trở thành trò chơi mà bây giờ chúng tôi gọi là Entanglion. Entanglion (một trò chơi về sự vướng víu từ) đã được phát hành vào tháng 12 năm 2017 dưới dạng một dự án nguồn mở trên Github để cho phép mọi người thưởng thức nó và tìm hiểu về điện toán lượng tử. Chúng tôi khuyến khích tất cả những ai quan tâm đến các trò chơi bảng, điện toán lượng tử hoặc cả hai, thưởng thức trò chơi của chúng tôi và chia sẻ nó với một người bạn.

Sau khi bạn chơi trò chơi, hãy truy cập QISkit và tạo trò chơi của riêng bạn và tìm hiểu thêm về điện toán lượng tử bằng cách lập trình một trò chơi thực sự.