Projetando um jogo de tabuleiro de computação quântica

Ansioso para jogar? Faça sua própria cópia do Entanglion!
A computação quântica é um campo que amadurece rapidamente e usa fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento, para realizar cálculos considerados intratáveis ​​para computadores clássicos.

Se você não entendeu uma palavra da frase anterior, não está sozinho! Minha primeira introdução à computação quântica foi quando eu era estudante universitário e um amigo meu me disse que ele estava estudando computação quântica. Perguntei a ele o que era aquilo e, depois de cinco minutos, eu ainda não fazia ideia.

Avançando para meados de 2016, entrei para a equipe da IBM Research que desenvolveu o IBM Q Experience e o QISKit e precisava me atualizar com exatidão sobre o que era a computação quântica. Li todos os guias e tutoriais on-line que pude encontrar e assisti a inúmeros vídeos, mas toda vez que pensava entender alguma coisa, voltava ao princípio, sem ter uma forte compreensão do material. Além disso, para ser honesto, o material era difícil de entender e velado atrás de uma parede de expressões matemáticas. Eu ansiava por uma maneira melhor de educar alguém sobre os princípios fundamentais da computação quântica.

Quantum + jogo de tabuleiro = impressionante!

Um fim de semana, meu marido (também pesquisador da IBM) e eu compramos um novo jogo de tabuleiro para jogar juntos. A caixa afirmava que o jogo levava duas horas para ser jogado, mas passamos muito mais tempo aprendendo as regras, tentando jogar por uma curva, cometendo erros e corrigindo-as, consultando constantemente o livro de regras. No final, fomos capazes de jogar um jogo completo (e como é habitual, eu venci!), Mas, ao refletir sobre esse processo, ficamos surpresos com quanto tempo e energia investimos em aprender um jogo com regras arbitrárias. . E se pudéssemos fazer a mesma coisa, mas aprender algo ao longo do caminho?

Foi assim que nasceu a idéia para um jogo de tabuleiro de computação quântica.

Projetar um jogo é difícil. Projetando um jogo quântico? Muito mais dificil.

Meu marido e eu trabalhamos juntos para projetar um jogo de tabuleiro com dois objetivos: tinha que ser divertido e ensinar os jogadores sobre os princípios fundamentais da computação quântica. Nós dois temos um histórico de pesquisa em interação humano-computador (HCI), que visa entender e melhorar como as pessoas interagem com e através da tecnologia. Contamos com dois métodos principais de pesquisa da HCI no desenvolvimento de nosso jogo: prototipagem de papel e design iterativo.

O design no papel nos permitiu fazer mudanças rápidas no jogo à medida que testamos novas mecânicas e regras. Nossas versões iniciais do jogo pegaram emprestado muitos componentes de outros jogos de tabuleiro de que gostamos, além de muitas notas adesivas e recortes de papel. Depois que decidimos pela mecânica de jogo que parecia divertida, mostramos nosso protótipo a um grupo de cientistas quânticos em nosso laboratório na IBM Research para obter feedback sobre os aspectos científicos. O comentário favorito deles para nós foi: “isso não é quântico”, enviando-nos de volta à prancheta para pensar em novas maneiras de representar um sistema quântico no papelão. Acabamos criando cinco iterações principais de nosso jogo de tabuleiro antes que nossos cientistas quânticos nos dessem seu selo de aprovação.

A primeira versão do nosso jogo de tabuleiro emprestou componentes do Carcassone, outro jogo que gostamos.A terceira iteração do nosso jogo de tabuleiro é muito colorida e divertida de jogar, mas nossos cientistas quânticos acharam que O Dr. Charles Bennett, um bolsista da IBM e pioneiro no campo da ciência da informação quântica, nos fornece feedback sobre a segunda iteração do nosso jogo.Na iteração quatro, decidimos um tema de ficção científica em que os jogadores movem suas naves espaciais de planeta para planeta para recuperar componentes de um computador quântico.

Objetivos de aprendizado

Ao projetar um jogo para ensinar um assunto altamente técnico, pensamos bastante se o objetivo era simplesmente apresentar aos jogadores conceitos de alto nível na computação quântica ou aprofundar-se nos detalhes intricados dos algoritmos de computação quântica. Para tornar nosso jogo agradável para uma ampla gama de jogadores, optamos por enfatizar a familiaridade com conceitos de alto nível (chamado domínio conceitual), em vez de focar profundamente nos detalhes dos algoritmos quânticos (chamado domínio técnico). Decidimos que nosso jogo deveria expor os jogadores a esses conceitos fundamentais na computação quântica: qubits e estados quânticos, superposição, entrelaçamento, medição, erro e os diferentes tipos de componentes de hardware e software envolvidos na construção de um computador quântico real. No início de nosso processo de design, criamos o objetivo de nosso jogo: construir um computador quântico a partir dos componentes constituintes!

Cooperativo ou Competitivo?

Muitos jogos de tabuleiro são competitivos, colocando jogadores contra jogadores em uma batalha de inteligência e estratégia. Como nosso objetivo era criar um jogo educacional, sentimos que os melhores resultados de aprendizado aconteceriam quando os jogadores trabalhassem juntos para atingir o objetivo do jogo. Tomamos essa decisão a partir de observações que fizemos durante nossas sessões de teste de jogo - os jogadores costumavam fazer perguntas um ao outro, como "o que acontece se eu jogar isso?" E "como isso funciona?". a mecânica subjacente do jogo, levando a um forte entendimento da mecânica da computação quântica. Esses são exatamente os tipos de discussões que queríamos que os jogadores tivessem enquanto jogavam e, portanto, tornamos nosso jogo cooperativo.

Calibração da dificuldade do jogo

A qualidade que torna um jogo excelente reside na sua capacidade de desafiar o jogador na quantidade certa, nos momentos certos. Jogos fáceis demais são triviais e insatisfatórios; jogos muito difíceis podem ser frustrantes, levando ao abandono. Assim, tínhamos um forte desejo de garantir que o jogo fosse desafiador o suficiente para ser divertido, mas não muito difícil para fazer com que os jogadores desistissem da frustração ou insatisfação.

Um desafio que enfrentamos ao calibrar a dificuldade foi ter um número suficiente de pessoas para testá-la, a fim de ter certeza de que o jogo não era fácil ou difícil demais. Para superar esse desafio, implementamos um simulador para o jogo e jogadores de IA que poderiam jogá-lo juntos. Fizemos milhares de simulações de jogos para nos ajudar a calibrar a dificuldade do jogo, fazendo ajustes e executando mais simulações para entender seus efeitos. Embora os jogadores de IA não captem realmente como as pessoas jogariam nosso jogo, decidimos empiricamente que taxas de vitória de 50 a 60% para uma equipe de IA correspondiam a um nível adequado de desafio para jogadores humanos.

Enter Entanglion

Depois de muito trabalho iterando com nossos cientistas quânticos, testando com nossos colegas e executando milhares de simulações de jogos, nossa quinta iteração se tornou o jogo que agora chamamos de Entanglion. O Entanglion (uma brincadeira com a palavra emaranhamento) foi lançado em dezembro de 2017 como um projeto de código aberto no Github para permitir que todos gostem e aprendam sobre computação quântica. Incentivamos todos os interessados ​​em jogos de tabuleiro, computação quântica ou ambos, a aproveitar nosso jogo e compartilhá-lo com um amigo.

Depois de jogar o jogo, vá para o QISkit e faça seu próprio jogo, e aprenda mais sobre computação quântica programando um jogo real.