Progettare un gioco da tavolo di calcolo quantistico

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Il calcolo quantistico è un campo a maturazione rapida che utilizza fenomeni quantomeccanici come la sovrapposizione e l'entanglement per eseguire calcoli considerati intrattabili per i computer classici.

Se non hai capito una parola della frase precedente, non sei solo! La mia prima introduzione al calcolo quantistico è stata quando ero uno studente universitario e un mio amico mi ha detto che stava studiando il calcolo quantistico. Gli ho chiesto di cosa si trattasse, e dopo cinque minuti non avevo ancora idea.

Passando rapidamente alla metà del 2016, sono entrato a far parte del team di IBM Research che ha sviluppato IBM Q Experience e QISKit e che avevo bisogno di sapere esattamente di cosa trattava il calcolo quantistico. Ho letto tutte le guide e i tutorial online che ho trovato e guardato innumerevoli video, ma ogni volta che pensavo di aver capito qualcosa, mi sono ritrovato all'inizio, senza avere una forte conoscenza del materiale. Inoltre, a dire il vero, il materiale era difficile da capire e velato dietro un muro di espressioni matematiche. Desideravo un modo migliore per educare qualcuno sui principi fondamentali dell'informatica quantistica.

Quantum + Board Game = Fantastico!

Un fine settimana, mio ​​marito (anch'egli ricercatore della IBM) e io abbiamo acquistato un nuovo gioco da tavolo per giocare insieme. Il riquadro ha affermato che il gioco ha impiegato due ore per giocare, ma abbiamo trascorso molto più tempo di quello a imparare le regole, a cercare di giocare un turno, a fare errori e a correggerli facendo costantemente riferimento al regolamento. Alla fine, siamo stati in grado di giocare un gioco completo (e come è consuetudine, ho vinto!), Ma riflettendo su questo processo, siamo rimasti entrambi sorpresi da quanto tempo ed energia abbiamo impiegato per imparare un gioco con regole arbitrarie . E se potessimo fare la stessa cosa, ma imparare qualcosa lungo la strada?

È così che è nata l'idea di un gioco da tavolo per calcolo quantistico.

Progettare un gioco è difficile. Progettare un gioco quantistico? Molto più difficile.

Mio marito ed io abbiamo lavorato insieme per progettare un gioco da tavolo con due obiettivi: doveva essere divertente e doveva insegnare ai giocatori i principi fondamentali dell'informatica quantistica. Entrambi abbiamo un background di ricerca nell'interazione uomo-computer (HCI), che mira a comprendere e migliorare il modo in cui le persone interagiscono con e attraverso la tecnologia. Per sviluppare il nostro gioco abbiamo fatto affidamento su due principali metodi di ricerca di HCI: la prototipazione della carta e la progettazione iterativa.

Progettare su carta ci ha permesso di apportare rapidi cambiamenti al gioco mentre testavamo nuove meccaniche e regole. Le nostre prime versioni del gioco hanno preso in prestito molti componenti da altri giochi da tavolo che ci piacciono, oltre a molte note adesive e ritagli di carta. Dopo esserci concentrati sulla meccanica di gioco che ci è sembrata divertente, abbiamo mostrato il nostro prototipo a un gruppo di scienziati quantistici nel nostro laboratorio di IBM Research per ottenere feedback sugli aspetti scientifici. Il loro commento preferito per noi è stato, "questo non è quantico", rimandandoci al tavolo da disegno per pensare a nuovi modi di rappresentare un sistema quantistico in cartone. Abbiamo finito per creare cinque principali iterazioni del nostro gioco da tavolo prima che i nostri scienziati quantistici ci dessero il loro sigillo di approvazione.

La prima versione del nostro gioco da tavolo ha preso in prestito componenti da Carcassone, un altro gioco che ci piace.La terza iterazione del nostro gioco da tavolo è molto colorata ed è stata divertente da giocare, ma i nostri scienziati quantistici hanno ritenuto che Il Dr. Charles Bennett, un IBM Fellow e pioniere nel campo della scienza dell'informazione quantistica, ci dà un feedback sulla seconda iterazione del nostro gioco.Nell'iterazione quattro, abbiamo optato per un tema di fantascienza in cui i giocatori spostano le loro astronavi da un pianeta all'altro per recuperare i componenti di un computer quantistico.

Obiettivi formativi

Durante la progettazione di un gioco per insegnare una materia altamente tecnica, abbiamo pensato seriamente se l'obiettivo fosse semplicemente introdurre i giocatori a concetti di alto livello nel calcolo quantistico o approfondire i dettagli intricati degli algoritmi di calcolo quantistico. Al fine di rendere il nostro gioco divertente per una vasta gamma di giocatori, abbiamo optato per porre la nostra enfasi sulla familiarità con concetti di alto livello (chiamati padronanza concettuale) piuttosto che focalizzarci profondamente sui particolari degli algoritmi quantistici (chiamati padronanza tecnica). Abbiamo deciso che il nostro gioco dovrebbe esporre i giocatori a questi concetti fondamentali nell'informatica quantistica: qubit e stati quantistici, sovrapposizione, entanglement, misurazione, errore e i diversi tipi di componenti hardware e software coinvolti nella costruzione di un vero computer quantistico. All'inizio del nostro processo di progettazione, l'obiettivo del nostro gioco era quello di costruire un computer quantistico a partire dai suoi componenti costitutivi!

Cooperativa o Competitiva?

Molti giochi da tavolo sono competitivi, mettendo il giocatore contro il giocatore in una battaglia di ingegno e strategia. Poiché il nostro obiettivo era quello di creare un gioco educativo, ritenevamo che i migliori risultati di apprendimento si sarebbero verificati quando i giocatori avessero lavorato insieme per raggiungere l'obiettivo del gioco. Abbiamo preso questa decisione dalle osservazioni fatte durante le nostre sessioni di playtest: i giocatori spesso si ponevano domande come "cosa succede se gioco questo?" E "come funziona questa cosa?" Le discussioni che seguivano spesso portavano a una comprensione più forte la meccanica di base del gioco, portando a una forte comprensione della meccanica dell'informatica quantistica. Questi sono esattamente i tipi di discussioni che volevamo che i giocatori avessero mentre giocavano, e quindi abbiamo reso cooperativa il nostro gioco.

Calibrazione della difficoltà del gioco

La qualità che rende grande un gioco sta nella sua capacità di sfidare il giocatore nella giusta quantità al momento giusto. I giochi troppo facili sono banali e insoddisfacenti; i giochi troppo difficili possono essere frustranti, portando all'abbandono. Quindi, avevamo un forte desiderio di garantire che il gioco fosse abbastanza impegnativo da essere divertente, ma non troppo difficile da indurre i giocatori a rinunciare alla frustrazione o all'insoddisfazione.

Una delle sfide che abbiamo affrontato nel calibrare la difficoltà è stata quella di far giocare abbastanza persone al fine di essere sicuri che il gioco non fosse troppo facile o troppo difficile. Per superare questa sfida, abbiamo effettivamente implementato un simulatore per i giocatori di gioco e AI che potevano giocarci insieme. Abbiamo eseguito migliaia di simulazioni di gioco per aiutarci a calibrare la difficoltà del gioco, apportando modifiche ed eseguendo più simulazioni per comprenderne l'effetto. Sebbene i giocatori dell'IA non catturino veramente il modo in cui le persone giocherebbero al nostro gioco, abbiamo deciso empiricamente che le percentuali di vincita del 50–60% per una squadra di AI corrispondevano a un livello adeguato di sfida per i giocatori umani.

Inserisci Entanglion

Dopo un sacco di duro lavoro iterando con i nostri scienziati quantistici, testando i nostri colleghi ed eseguendo migliaia di simulazioni di gioco, la nostra quinta iterazione è diventata il gioco che ora chiamiamo Entanglion. Entanglion (una commedia sulla parola entanglement) è stato rilasciato nel dicembre 2017 come progetto open source su Github per consentire a tutti di divertirsi e conoscere il calcolo quantistico. Incoraggiamo tutti coloro che sono interessati ai giochi da tavolo, all'informatica quantistica o ad entrambi, a divertirsi con il nostro gioco e condividerlo con un amico.

Dopo aver giocato, vai su QISkit e crea il tuo gioco, e scopri di più sull'informatica quantistica programmandone una vera.