Entwerfen eines Quantum Computing-Brettspiels

Lust zu spielen? Machen Sie Ihre eigene Kopie von Entanglion!
Quantencomputing ist ein schnell ausgereiftes Gebiet, das quantenmechanische Phänomene wie Überlagerung und Verschränkung verwendet, um Berechnungen durchzuführen, die für klassische Computer als unlösbar gelten.

Wenn Sie ein Wort des vorherigen Satzes nicht verstanden haben, sind Sie nicht allein! Meine erste Einführung in das Quantencomputing war, als ich Student war und ein Freund von mir sagte, er studiere Quantencomputing. Ich fragte ihn, was das sei, und nach fünf Minuten hatte ich immer noch keine Ahnung.

Bis Mitte 2016 habe ich mich dem Team von IBM Research angeschlossen, das das IBM Q Experience und das QISKit entwickelt hat, und musste genau wissen, worum es beim Quanten-Computing geht. Ich habe alle Online-Anleitungen und -Anleitungen gelesen, die ich finden und unzählige Videos angesehen habe, aber jedes Mal, wenn ich dachte, ich hätte etwas verstanden, befand ich mich am Anfang wieder da, ohne das Material richtig zu verstehen. Außerdem war das Material, um ehrlich zu sein, schwer zu verstehen und hinter einer Mauer mathematischer Ausdrücke verborgen. Ich sehnte mich nach einer besseren Möglichkeit, jemanden über die grundlegenden Prinzipien des Quantencomputers zu unterrichten.

Quantum + Brettspiel = Super!

Eines Wochenendes kauften mein Mann (auch Forscher bei IBM) und ich ein neues Brettspiel, um zusammen zu spielen. Die Box behauptete, das Spiel habe zwei Stunden gedauert, aber wir haben viel mehr Zeit damit verbracht, die Regeln zu lernen, eine Runde durchzuspielen, Fehler zu machen und sie zu korrigieren, indem wir uns ständig auf das Regelwerk bezogen. Am Ende konnten wir ein komplettes Spiel durchspielen (und wie üblich habe ich gewonnen!), Aber als wir über diesen Prozess nachdachten, waren wir beide erstaunt, wie viel Zeit und Energie wir in das Erlernen eines Spiels mit willkürlichen Regeln gesteckt haben . Was wäre, wenn wir dasselbe tun könnten, aber auf dem Weg etwas lernen würden?

So entstand die Idee für ein Quantencomputer-Brettspiel.

Ein Spiel zu entwerfen ist schwer. Ein Quantenspiel entwerfen? Viel härter.

Mein Mann und ich arbeiteten zusammen, um ein Brettspiel mit zwei Zielen zu entwerfen: Es musste Spaß machen und den Spielern grundlegende Prinzipien des Quantencomputers beibringen. Wir haben beide einen Forschungshintergrund in der Mensch-Computer-Interaktion (HCI), die darauf abzielt, zu verstehen und zu verbessern, wie Menschen mit und durch Technologie interagieren. Wir haben uns bei der Entwicklung unseres Spiels auf zwei Forschungsmethoden von HCI gestützt: Papier-Prototyping und iteratives Design.

Das Entwerfen auf Papier ermöglichte es uns, das Spiel schnell zu ändern, während wir neue Mechaniken und Regeln testeten. Unsere frühen Versionen des Spiels haben viele Komponenten von anderen Brettspielen ausgeliehen, die uns gefallen, sowie viele Haftnotizen und Papierausschnitte. Nachdem wir uns für eine Spielmechanik entschieden hatten, die Spaß machte, zeigten wir unseren Prototyp einer Gruppe von Quantenwissenschaftlern in unserem Labor bei IBM Research, um Feedback zu den wissenschaftlichen Aspekten zu erhalten. Ihr Lieblingskommentar für uns war: „Dies ist kein Quantum.“ Sie haben uns zurück ans Reißbrett geschickt, um über neue Möglichkeiten nachzudenken, ein Quantensystem in Pappe darzustellen. Am Ende haben wir fünf Hauptiterationen unseres Brettspiels erstellt, bevor uns unsere Quantenwissenschaftler ihr Gütesiegel verliehen haben.

Die erste Version unseres Brettspiels hat Komponenten von Carcassone ausgeliehen, ein weiteres Spiel, das uns Spaß macht.Die dritte Iteration unseres Brettspiels ist sehr farbenfroh und hat Spaß gemacht, aber unsere Quantenwissenschaftler waren der Meinung, es sei Dr. Charles Bennett, ein IBM Fellow und Pionier auf dem Gebiet der Quanteninformationsforschung, gibt uns Feedback zur zweiten Iteration unseres Spiels.In Iteration 4 entschieden wir uns für ein Science-Fiction-Thema, bei dem Spieler ihre Raumschiffe von Planet zu Planet bewegen, um Komponenten eines Quantencomputers abzurufen.

Lernziele

Beim Entwerfen eines Spiels für ein hochtechnisches Fach haben wir uns Gedanken darüber gemacht, ob das Ziel darin besteht, den Spielern einfach Konzepte auf hoher Ebene im Quantencomputer vorzustellen oder die komplexen Details von Quantencomputer-Algorithmen zu vertiefen. Um unser Spiel für ein breites Spektrum von Spielern angenehm zu machen, haben wir uns dafür entschieden, den Schwerpunkt auf die Vertrautheit mit Konzepten auf hoher Ebene (konzeptionelle Meisterschaft genannt) zu legen, anstatt uns tief auf die Einzelheiten von Quantenalgorithmen (technische Meisterschaft genannt) zu konzentrieren. Wir beschlossen, dass unser Spiel die Spieler mit diesen grundlegenden Konzepten des Quantencomputers vertraut machen sollte: Qubits und Quantenzustände, Überlagerung, Verschränkung, Messung, Fehler und die verschiedenen Arten von Hardware- und Softwarekomponenten, die zum Aufbau eines echten Quantencomputers erforderlich sind. Schon zu Beginn unseres Designprozesses hatten wir uns zum Ziel gesetzt, einen Quantencomputer aus seinen Bestandteilen zu konstruieren!

Kooperativ oder wettbewerbsfähig?

Viele Brettspiele sind wettbewerbsorientiert und treten in einem Kampf um Verstand und Strategie gegeneinander an. Da es unser Ziel war, ein Lernspiel zu erstellen, hatten wir das Gefühl, dass die besten Lernergebnisse erzielt werden, wenn die Spieler zusammenarbeiten, um das Spielziel zu erreichen. Diese Entscheidung haben wir aufgrund von Beobachtungen getroffen, die wir während unserer Spieltest-Sitzungen gemacht haben. Die Spieler stellten sich oft die Frage: „Was passiert, wenn ich das spiele?“ Und „Wie funktioniert das?“. Die folgenden Diskussionen führten oft zu einem besseren Verständnis von Die zugrunde liegende Mechanik des Spiels führt zu einem umfassenden Verständnis der Mechanik des Quantencomputers. Dies sind genau die Arten von Diskussionen, die die Spieler während unseres Spiels führen sollten, und so haben wir unser Spiel kooperativ gemacht.

Kalibrierung von Spielschwierigkeiten

Die Qualität, die ein Spiel großartig macht, liegt in seiner Fähigkeit, den Spieler genau zur richtigen Zeit mit der richtigen Menge herauszufordern. Zu einfache Spiele sind trivial und unbefriedigend. Zu schwierige Spiele können frustrierend sein und zum Abbruch führen. Wir hatten daher den starken Wunsch, sicherzustellen, dass das Spiel gerade so herausfordernd ist, dass es Spaß macht, aber nicht zu schwierig, um die Spieler vor Frustration oder Unzufriedenheit davon abzubringen.

Eine Herausforderung bei der Kalibrierung der Schwierigkeit bestand darin, dass genügend Leute das Spiel testen mussten, um zuversichtlich zu sein, dass das Spiel nicht zu einfach oder zu schwierig war. Um diese Herausforderung zu meistern, haben wir einen Simulator für das Spiel und die KI-Spieler implementiert, die es zusammen spielen konnten. Wir haben Tausende von Spielsimulationen ausgeführt, um die Schwierigkeit des Spiels zu kalibrieren, Optimierungen vorzunehmen und weitere Simulationen durchzuführen, um deren Auswirkungen zu verstehen. Obwohl KI-Spieler nicht wirklich erfassen, wie die Leute unser Spiel spielen würden, haben wir empirisch entschieden, dass Gewinnraten von 50 bis 60% für ein KI-Team einer angemessenen Herausforderung für menschliche Spieler entsprechen.

Betritt Entanglion

Nach viel harter Arbeit mit unseren Quantenforschern, dem Testen mit unseren Kollegen und dem Ausführen von Tausenden von Spielsimulationen wurde unsere fünfte Iteration das Spiel, das wir jetzt Entanglion nennen. Entanglion (ein Stück mit dem Wort Verstrickung) wurde im Dezember 2017 als Open-Source-Projekt auf Github veröffentlicht, damit jeder Spaß daran hat und mehr über Quantencomputer erfahren kann. Wir ermutigen alle, die sich für Brettspiele, Quantencomputer oder beides interessieren, unser Spiel zu genießen und es mit einem Freund zu teilen.

Nachdem Sie das Spiel gespielt haben, gehen Sie zu QISkit und erstellen Sie Ihr eigenes Spiel. Erfahren Sie mehr über Quantum Computing, indem Sie ein reales programmieren.