Kvantarvuti lauamängu kujundamine

Kas soovite mängida? Tehke oma Entanglionist koopia!
Kvantarvutamine on kiiresti küpsev väli, mis kasutab kvantmehaanilisi nähtusi nagu superpositsioon ja takerdumine arvutuste tegemiseks, mida peetakse klassikaliste arvutite jaoks kõlbmatuks.

Kui te ei saanud eelmise lause sõnast aru, pole te üksi! Minu esimene sissejuhatus kvantarvutitesse oli siis, kui olin ülikooli tudeng ja üks sõber ütles mulle, et ta õpib kvantarvutust. Küsisin talt, mis see on ja viie minuti pärast polnud mul veel aimugi.

Liikudes kiiresti 2016. aasta keskpaigani, liitusin IBM Researchi meeskonnaga, mis arendas välja IBM Q Experience ja QISKit ning pidin kiirendama täpselt seda, mida kvantarvutamine endast kujutab. Lugesin kõiki veebijuhendeid ja õpetusi, mida võisin leida, ja vaatasin lugematu arvu videoid, kuid iga kord, kui arvasin, et saan millestki aru, leidsin end alguses tagasi, omamata materjali tugevat mõistmist. Lisaks oli materjal ausalt öeldes raskesti mõistetav ja varjatud matemaatiliste avaldiste seina taha. Ma igatsesin paremat viisi, kuidas harida kedagi kvantarvutuse aluspõhimõtetest.

Quantum + lauamäng = vinge!

Ühel nädalavahetusel ostsime koos abikaasaga (ka IBM-i teadustöötajaga) koos uue lauamängu, et koos mängida. Kast väitis, et mängu mängimiseks kulus kaks tundi, kuid me kulutasime palju rohkem aega, kui õppisime reegleid, üritasime kordamööda läbi mängida, vigu teha ja neid parandada, viidates pidevalt reegliteraamatule. Lõpuks suutsime mängida terve mängu (ja nagu tavaliselt, võitsin!), Kuid selle protsessi üle mõtiskledes imestasime mõlemad, kui palju aega ja energiat panime meelevaldsete reeglitega mängu õppimiseks . Mis oleks, kui saaksime teha sama asja, kuid midagi juurde õppida?

Nii sündis kvantarvutitega lauamängu idee.

Mängu kujundamine on keeruline. Kujundate kvantmängu? Palju raskem.

Mu abikaasa ja mina töötasime koos kahe eesmärgiga lauamängu kavandamisel: see pidi olema lõbus ja see pidi mängijatele õpetama kvantarvutuste aluspõhimõtteid. Mõlemal meist on inimese ja arvuti interaktsiooni (HCI) uurimistöö taust, mille eesmärk on mõista ja parandada inimeste suhtlemist tehnoloogiaga ja läbi selle. Mängu arendamisel tuginesime HCI kahele peamisele uurimismeetodile: paberi prototüüpide kujundamine ja iteratiivne disain.

Paberil kujundamine võimaldas meil mängu kiireid muudatusi teha, kui testisime uusi mehaanikat ja reegleid. Meie mängu varasemad versioonid laenasid palju komponente teistest nauditavatest lauamängudest, lisaks palju kleepitavaid märkmeid ja paberilõikeid. Pärast mängumehaanika kasutamist, mis tundis rõõmu, näitasime oma prototüüpi IBM Researchi laboris asuvale kvantteadlaste rühmale, et saada tagasisidet teaduse aspektide kohta. Nende lemmikkommentaar meile oli: “see pole kvant”, saates meid tagasi joonestuslauale mõtlema uute viiside üle, kuidas kvantrisüsteemi kujutada. Lõpetasime oma lauamängu viis peamist iteratsiooni, enne kui kvantiteadlased andsid meile oma heakskiidu pitseri.

Meie lauamängu esimene versioon laenas komponendid Carcassone'ilt, teine ​​mäng, mida me naudime.Meie lauamängu kolmas iteratsioon on väga värvikas ja seda oli lõbus mängida, kuid meie kvantiteadlased arvasid, et see pole piisavalt kvant.Dr Charles Bennett, IBM-i stipendiaat ja kvantteabe valdkonnas teerajaja, annab meile tagasisidet meie mängu teise iteratsiooni kohta.Neljas iteratsioonis otsustasime ulmeteema, kus mängijad viivad oma kosmoselaevad planeedilt planeedile, et hankida kvantarvuti komponente.

Õppe eesmärgid

Kavandades mängu väga tehnilise aine õpetamiseks, mõtlesime kõvasti, kas eesmärk oli lihtsalt tutvustada mängijatele kvantarvutuse kõrgetasemelisi kontseptsioone või süveneda kvantarvutusalgoritmide keerukatesse üksikasjadesse. Et muuta meie mäng paljudele mängijatele nauditavaks, otsustasime keskenduda pigem kõrgetasemeliste mõistete tundmisele (nn kontseptuaalne meisterlikkus), mitte keskenduda sügavalt kvantalgoritmide üksikasjadele (nn tehniline meisterlikkus). Otsustasime, et meie mäng peaks paljastama mängijad kvantarvutuses nendele põhimõistetele: kvoodid ja kvantseisundid, superpositsioon, takerdumine, mõõtmine, viga ja mitmesugused riist- ja tarkvarakomponendid, mis on seotud tõelise kvantarvuti ehitamisega. Projekteerimisprotsessi alguses panime oma mängu eesmärgi konstrueerida kvantarvuti selle komponentidest!

Ühistu või konkureeriv?

Paljud lauamängud on konkurentsivõimelised ja löövad mängija vastu mõistuse ja strateegia lahingus. Kuna meie eesmärk oli luua hariduslik mäng, tundsime, et parimad õpitulemused saavutatakse siis, kui mängijad teevad mängu eesmärgi saavutamiseks koostööd. Selle otsuse tegime vaatlustel, mille tegime oma mängutestide ajal - mängijad esitasid üksteisele sageli küsimusi, näiteks: „mis juhtub, kui ma seda mängin?“ Ja „kuidas see asi töötab?“. Järgnevad arutelud viisid sageli parema arusaamiseni mängu aluseks olev mehaanika, mis viib kvantarvutuste mehaanika tugeva mõistmiseni. Need on täpselt sellised arutelud, mida tahtsime mängijatel meie mängu mängides pidada, ja seepärast tegime oma mängu ühistuks.

Mängu raskuse kalibreerimine

Kvaliteedi, mis teeb mängu suurepäraseks, peitub selles, et ta suudab mängija väljakutsuda just õigel ajal õigel ajal. Liiga lihtsad mängud on triviaalsed ja ebarahuldavad; liiga rasked mängud võivad olla pettumust valmistavad, põhjustades loobumise. Seega oli meil tugev soov tagada, et mäng oleks lihtsalt piisavalt väljakutsuv, et see oleks lõbus, kuid mitte liiga keeruline, et tekitada mängijatel pettumustest või rahulolematusest loobumist.

Üks väljakutse, millega silmitsi seisime raskuste kalibreerimisel, oli see, et piisavalt inimesi mängisid seda, et olla kindlad, et mäng ei olnud liiga lihtne ega liiga keeruline. Selle väljakutse ületamiseks rakendasime tegelikult mängu simulaatori ja AI-mängijad, kes said seda koos mängida. Me korraldasime tuhandeid mängusimulatsioone, mis aitasid meil mängu keerukust kalibreerida, tehes muudatusi ja käivitades rohkem simulatsioone, et mõista nende mõju. Ehkki AI-mängijad ei taba tegelikult seda, kuidas inimesed meie mängu mängivad, otsustasime empiiriliselt, et AI-võistkonna võidumäär 50–60% vastab inimmängijate piisavale väljakutsele.

Sisestage Entanglion

Pärast palju rasket tööd iteratsioonil koos kvantiteadlastega, koos kolleegidega mängimist ja tuhandete mängusimulatsioonide läbiviimist sai meie viiendast iteratsioonist mäng, mida nüüd kutsume Entanglioniks. Entanglion (näidend sõna takerdumisest) ilmus 2017. aasta detsembris avatud lähtekoodiga projektina Githubis, et võimaldada kõigil sellest rõõmu tunda ja kvantarvutust õppida. Julgustame kõiki, keda huvitavad lauamängud, kvantarvutused või mõlemad, meie mängu nautima ja seda oma sõbrale jagama.

Pärast mängu mängimist minge QISkiti ja tehke oma mäng ning õppige kvantarvutustest lisateavet, programmeerides päris mängu.