Merancang Game Quantum Computing Board

Ingin Bermain? Buat salinan Entanglion Anda sendiri!
Komputasi kuantum adalah bidang yang cepat matang yang menggunakan fenomena mekanika-kuantum seperti superposisi dan keterjeratan untuk melakukan komputasi yang dianggap tidak bisa digunakan untuk komputer klasik.

Jika Anda tidak mengerti sepatah kata pun dari kalimat sebelumnya, Anda tidak sendirian! Pengantar pertama saya untuk komputasi kuantum adalah ketika saya masih seorang mahasiswa dan seorang teman mengatakan kepada saya bahwa dia sedang belajar komputasi kuantum. Saya bertanya kepadanya apa ini, dan setelah lima menit, saya masih tidak tahu.

Maju cepat hingga pertengahan 2016, saya bergabung dengan tim di IBM Research yang mengembangkan IBM Q Experience dan QISKit, dan perlu meningkatkan kecepatan tentang apa itu komputasi kuantum. Saya membaca semua panduan dan tutorial online yang bisa saya temukan dan tonton video yang tak terhitung jumlahnya, tetapi setiap kali saya pikir saya mengerti sesuatu, saya menemukan diri saya kembali pada awalnya, tidak memiliki pemahaman yang kuat tentang materi. Ditambah lagi, sejujurnya, materi itu sulit dipahami dan terselubung di balik dinding ekspresi matematika. Saya merindukan cara yang lebih baik untuk mendidik seseorang tentang prinsip dasar komputasi kuantum.

Quantum + Board Game = Luar Biasa!

Suatu akhir pekan, suami saya (juga seorang peneliti dengan IBM) dan saya membeli permainan papan baru untuk bermain bersama. Kotak mengklaim permainan membutuhkan waktu dua jam untuk bermain, tetapi kami menghabiskan lebih banyak waktu daripada mempelajari aturan, mencoba bermain melalui belokan, membuat kesalahan, dan memperbaikinya dengan terus merujuk kembali ke buku aturan. Pada akhirnya, kami dapat bermain melalui permainan penuh (dan seperti kebiasaan, saya menang!), Tetapi setelah merenungkan proses ini, kami berdua kagum dengan berapa banyak waktu dan energi yang kami habiskan untuk mempelajari permainan dengan aturan yang sewenang-wenang. . Bagaimana jika kita bisa melakukan hal yang sama, tetapi belajar sesuatu di sepanjang jalan?

Ini adalah bagaimana ide untuk permainan papan komputasi kuantum lahir.

Mendesain game itu sulit. Merancang game kuantum? Jauh lebih sulit.

Saya dan suami saya bekerja bersama merancang permainan papan dengan dua tujuan: itu harus menyenangkan, dan itu harus mengajarkan para pemain tentang prinsip-prinsip dasar komputasi kuantum. Kami berdua memiliki latar belakang penelitian dalam interaksi manusia-komputer (HCI), yang bertujuan untuk memahami dan meningkatkan cara orang berinteraksi dengan dan melalui teknologi. Kami mengandalkan dua metode penelitian utama dari HCI dalam mengembangkan game kami: prototipe kertas dan desain berulang.

Merancang di atas kertas memungkinkan kami untuk membuat perubahan cepat pada permainan saat kami menguji mekanisme dan aturan baru. Versi awal gim kami meminjam banyak komponen dari gim papan lain yang kami nikmati, ditambah banyak catatan tempel dan guntingan kertas. Setelah kami memilih mekanisme permainan yang terasa menyenangkan, kami menunjukkan prototipe kami kepada sekelompok ilmuwan kuantum di lab kami di IBM Research untuk mendapatkan umpan balik pada aspek sains. Komentar favorit mereka kepada kami adalah, "ini bukan kuantum," mengirim kami kembali ke papan gambar untuk memikirkan cara-cara baru untuk mewakili sistem kuantum dalam kardus. Kami akhirnya menciptakan lima iterasi utama permainan papan kami sebelum para ilmuwan kuantum kami memberi kami meterai persetujuan mereka.

Versi pertama dari gim papan kami meminjam komponen dari Carcassone, gim lain yang kami nikmati.Iterasi ketiga dari permainan papan kami sangat berwarna-warni dan menyenangkan untuk dimainkan, tetapi para ilmuwan kuantum kami merasa itu Charles Bennett, seorang Rekan IBM dan pelopor di bidang ilmu informasi kuantum, memberi kami umpan balik tentang iterasi kedua dari permainan kami.Dalam iterasi empat, kami menentukan tema sci-fi di mana pemain memindahkan pesawat ruang angkasa dari planet ke planet untuk mengambil komponen komputer kuantum.

Tujuan Pembelajaran

Ketika merancang sebuah game untuk mengajarkan subjek yang sangat teknis, kami berpikir keras tentang apakah tujuannya adalah untuk hanya memperkenalkan pemain ke konsep tingkat tinggi dalam komputasi kuantum, atau untuk masuk jauh ke dalam rincian rumit dari algoritma komputasi kuantum. Untuk membuat permainan kami menyenangkan bagi berbagai pemain, kami memilih untuk menempatkan penekanan kami pada keakraban dengan konsep tingkat tinggi (disebut penguasaan konseptual) daripada berfokus secara mendalam pada rincian algoritma kuantum (disebut penguasaan teknis). Kami memutuskan bahwa permainan kami harus memaparkan para pemain pada konsep dasar ini dalam komputasi kuantum: qubit dan status kuantum, superposisi, keterikatan, pengukuran, kesalahan, dan berbagai jenis komponen perangkat keras dan perangkat lunak yang terlibat dalam membangun komputer kuantum nyata. Di awal proses desain kami, kami membuat tujuan permainan kami adalah untuk membangun komputer kuantum dari komponen penyusunnya!

Koperasi atau Kompetitif?

Banyak permainan papan yang kompetitif, mengadu pemain melawan pemain dalam pertempuran akal dan strategi. Karena tujuan kami adalah membuat permainan edukatif, kami merasa bahwa hasil pembelajaran terbaik akan terjadi ketika pemain bekerja sama untuk mencapai tujuan permainan. Kami membuat keputusan ini dari pengamatan yang kami buat selama sesi playtest kami - pemain sering bertanya satu sama lain seperti, "apa yang terjadi jika saya memainkan ini?" Dan "bagaimana hal ini bekerja?" Diskusi yang diikuti sering menyebabkan pemahaman yang lebih kuat dari mekanika permainan yang mendasarinya, yang mengarah ke pemahaman yang kuat tentang mekanisme komputasi kuantum. Ini adalah jenis diskusi yang kami ingin para pemain miliki saat memainkan permainan kami, dan dengan demikian kami membuat permainan kami kooperatif.

Kalibrasi Kesulitan Game

Kualitas yang membuat permainan hebat terletak pada kemampuannya untuk menantang pemain dalam jumlah yang tepat pada waktu yang tepat. Game yang terlalu mudah itu sepele dan tidak memuaskan; permainan yang terlalu sulit bisa membuat frustrasi, yang mengarah ke pengabaian. Dengan demikian, kami memiliki keinginan kuat untuk memastikan permainan hanya cukup menantang untuk menyenangkan, tetapi tidak terlalu sulit untuk menyebabkan pemain menyerah dari frustrasi atau ketidakpuasan.

Salah satu tantangan yang kami hadapi dalam mengkalibrasi kesulitan adalah memiliki cukup banyak orang yang memainkannya untuk yakin bahwa permainan itu tidak terlalu mudah atau terlalu sulit. Untuk mengatasi tantangan ini, kami benar-benar mengimplementasikan simulator untuk permainan dan pemain AI yang bisa bermain bersama. Kami menjalankan ribuan simulasi game untuk membantu kami mengkalibrasi kesulitan game, melakukan penyesuaian dan menjalankan lebih banyak simulasi untuk memahami efeknya. Meskipun pemain AI tidak benar-benar menangkap bagaimana orang akan memainkan permainan kami, kami secara empiris memutuskan bahwa tingkat kemenangan 50-60% untuk tim AI terkait dengan tingkat tantangan yang memadai untuk pemain manusia.

Masukkan Entanglion

Setelah banyak kerja keras dengan para ilmuwan kuantum kami, bermain-main dengan rekan-rekan kami, dan menjalankan ribuan simulasi game, iterasi kelima kami menjadi game yang sekarang kami sebut Entanglion. Entanglion (permainan kata terjerat) dirilis pada Desember 2017 sebagai proyek open-source di Github untuk memungkinkan semua orang menikmatinya dan belajar tentang komputasi kuantum. Kami mendorong semua yang tertarik pada permainan papan, komputasi kuantum, atau keduanya, untuk menikmati permainan kami dan membaginya dengan seorang teman.

Setelah Anda memainkan game, buka QISkit dan buat game Anda sendiri, dan pelajari lebih lanjut tentang komputasi kuantum dengan memprogram yang nyata.