Een Quantum Computing-bordspel ontwerpen

Zin om te spelen? Maak je eigen exemplaar van Entanglion!
Quantum computing is een snel rijpend veld dat kwantummechanische fenomenen zoals superpositie en verstrengeling gebruikt om berekeningen uit te voeren die voor klassieke computers als onhandelbaar worden beschouwd.

Als je een woord uit de vorige zin niet hebt begrepen, sta je niet alleen! Mijn eerste kennismaking met quantum computing was toen ik een universiteitsstudent was en een vriend van mij vertelde dat hij quantum computing studeerde. Ik vroeg hem wat dit was en na vijf minuten had ik nog steeds geen idee.

Snel vooruit tot medio 2016, trad ik toe tot het team van IBM Research dat de IBM Q Experience en QISKit ontwikkelde, en moest ik precies weten waar quantum computing over ging. Ik las alle online handleidingen en tutorials die ik kon vinden en keek naar talloze video's, maar elke keer dat ik dacht dat ik iets begreep, merkte ik dat ik aan het begin terug was, zonder het materiaal goed te begrijpen. Bovendien was het materiaal, om eerlijk te zijn, moeilijk te begrijpen en verborgen achter een muur van wiskundige uitdrukkingen. Ik verlangde naar een betere manier om iemand te onderwijzen over de fundamentele principes van quantum computing.

Quantum + bordspel = geweldig!

Op een weekend kochten mijn man (ook onderzoeker bij IBM) en ik een nieuw bordspel om samen te spelen. De box beweerde dat het spel twee uur duurde om te spelen, maar we besteedden veel meer tijd aan het leren van de regels, proberen een beurt te spelen, fouten te maken en ze te corrigeren door constant terug te verwijzen naar het rulebook. Uiteindelijk waren we in staat om een ​​volledige game te spelen (en zoals gebruikelijk heb ik gewonnen!), Maar bij het nadenken over dit proces, waren we allebei verbaasd over hoeveel tijd en energie we hebben gestoken in het leren van een game met willekeurige regels . Wat als we hetzelfde zouden kunnen doen, maar onderweg iets leren?

Zo ontstond het idee voor een kwantumcomputerspel.

Een game ontwerpen is moeilijk. Een kwantumspel ontwerpen? Veel moeilijker.

Mijn man en ik werkten samen aan het ontwerpen van een bordspel met twee doelen: het moest leuk zijn en het moest de spelers leren over de fundamentele principes van quantum computing. We hebben allebei een onderzoeksachtergrond op het gebied van mens-computer interactie (HCI), gericht op het begrijpen en verbeteren van de manier waarop mensen omgaan met en via technologie. We vertrouwden op twee belangrijke onderzoeksmethoden van HCI bij het ontwikkelen van ons spel: papieren prototyping en iteratief ontwerp.

Ontwerpen op papier stelde ons in staat om snelle veranderingen in het spel aan te brengen terwijl we nieuwe mechanica en regels testten. Onze vroege versies van het spel hebben veel componenten geleend van andere bordspellen die we leuk vinden, plus veel plaknotities en papierknipsels. Nadat we de spelmechanica hadden bepaald die leuk aanvoelde, lieten we ons prototype zien aan een groep kwantumwetenschappers in ons laboratorium bij IBM Research om feedback te krijgen over de wetenschappelijke aspecten. Hun favoriete opmerking voor ons was: "dit is niet kwantum", en stuurde ons terug naar de tekentafel om nieuwe manieren te bedenken om een ​​kwantumsysteem in karton weer te geven. We hebben uiteindelijk vijf grote iteraties van ons bordspel gemaakt voordat onze kwantumwetenschappers ons hun zegel van goedkeuring gaven.

De eerste versie van ons bordspel leende componenten van Carcassone, een ander spel dat we leuk vinden.De derde versie van ons bordspel is erg kleurrijk en was leuk om te spelen, maar onze kwantumwetenschappers vonden het Dr. Charles Bennett, een IBM Fellow en pionier op het gebied van kwantuminformatica, geeft ons feedback over de tweede versie van onze game.In iteratie vier hebben we een scifi-thema gekozen waarin spelers hun ruimteschepen van planeet naar planeet verplaatsen om componenten van een kwantumcomputer op te halen.

Leerdoelen

Bij het ontwerpen van een game om een ​​zeer technisch onderwerp te onderwijzen, hebben we er hard over nagedacht of het doel was om spelers eenvoudigweg kennis te laten maken met concepten op hoog niveau in quantum computing, of diep in te gaan op de ingewikkelde details van quantum computing-algoritmen. Om onze game leuk te maken voor een breed scala aan spelers, hebben we ervoor gekozen om onze nadruk te leggen op bekendheid met concepten op hoog niveau (conceptuele beheersing genoemd) in plaats van ons diep te concentreren op de bijzonderheden van kwantumalgoritmen (technische beheersing genoemd). We besloten dat onze game spelers zou moeten blootstellen aan deze fundamentele concepten in quantum computing: qubits en quantumstaten, superpositie, verstrengeling, meting, fouten en de verschillende soorten hardware- en softwarecomponenten die betrokken zijn bij het bouwen van een echte quantumcomputer. Al vroeg in ons ontwerpproces hebben we het doel van onze game gemaakt om een ​​kwantumcomputer te maken van de samenstellende componenten!

Coöperatief of competitief?

Veel bordspellen zijn competitief en zetten speler tegen speler in een strijd van verstand en strategie. Omdat ons doel was om een ​​educatief spel te maken, vonden we dat de beste leerresultaten zouden optreden wanneer spelers samenwerkten om het doel van het spel te bereiken. We hebben deze beslissing genomen op basis van observaties die we tijdens onze testsessies hebben gedaan - spelers stelden elkaar vaak vragen als: "Wat gebeurt er als ik dit speel?" En "Hoe werkt dit ding?" De discussies die volgden leidden vaak tot een beter begrip van de onderliggende mechanica van het spel, wat leidt tot een goed begrip van de mechanica van quantum computing. Dit zijn precies het soort discussies dat we wilden dat spelers hadden tijdens het spelen van ons spel, en dus hebben we ons spel coöperatief gemaakt.

Kalibratie van spelproblemen

De kwaliteit die een spel geweldig maakt, ligt in het vermogen om de speler precies de juiste hoeveelheid op precies de juiste momenten uit te dagen. Te gemakkelijke spellen zijn triviaal en onbevredigend; games die te moeilijk zijn, kunnen frustrerend zijn en leiden tot stopzetting. We hadden dus een sterke wens om ervoor te zorgen dat de game net uitdagend genoeg was om leuk te zijn, maar niet te moeilijk om ervoor te zorgen dat spelers opgeven van frustratie of ontevredenheid.

Een uitdaging die we tegenkwamen bij het kalibreren van de moeilijkheid was om genoeg mensen te laten testen om er zeker van te zijn dat de game niet te gemakkelijk of te moeilijk was. Om deze uitdaging aan te gaan, hebben we eigenlijk een simulator geïmplementeerd voor het spel en AI-spelers die het samen konden spelen. We hebben duizenden spelsimulaties uitgevoerd om ons te helpen de moeilijkheid van het spel te kalibreren, tweaks te maken en meer simulaties uit te voeren om het effect ervan te begrijpen. Hoewel AI-spelers niet echt vastleggen hoe mensen ons spel zouden spelen, hebben we empirisch besloten dat de winstpercentages van 50-60% voor een AI-team overeenkwamen met een voldoende uitdaging voor menselijke spelers.

Entanglion ingaan

Na veel hard werken met onze kwantumwetenschappers, het spelen van tests met onze collega's en het uitvoeren van duizenden spelsimulaties, werd onze vijfde iteratie de game die we nu Entanglion noemen. Entanglion (een spel over het woord verstrengeling) werd uitgebracht in december 2017 als een open-sourceproject op Github zodat iedereen ervan kan genieten en meer te weten kan komen over quantum computing. We moedigen iedereen die geïnteresseerd is in bordspellen, quantum computing of beide aan om van ons spel te genieten en het met een vriend te delen.

Nadat je het spel hebt gespeeld, ga naar QISkit en maak je eigen spel, en leer meer over quantum computing door een echte te programmeren.