Diseñando un juego de tablero de computación cuántica

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La computación cuántica es un campo de maduración rápida que utiliza fenómenos de mecánica cuántica como la superposición y el enredo para realizar cálculos considerados intratables para las computadoras clásicas.

Si no entendiste una palabra de la oración anterior, ¡no estás solo! Mi primera introducción a la computación cuántica fue cuando era un estudiante universitario y un amigo mío me dijo que estaba estudiando computación cuántica. Le pregunté qué era esto, y después de cinco minutos, todavía no tenía idea.

Un avance rápido hasta mediados de 2016, me uní al equipo de IBM Research que desarrolló IBM Q Experience y QISKit, y necesitaba ponerme al día sobre exactamente de qué se trataba la computación cuántica. Leí todas las guías y tutoriales en línea que pude encontrar y vi innumerables videos, pero cada vez que pensaba que entendía algo, me encontraba de regreso al principio, sin tener una buena comprensión del material. Además, para ser honesto, el material era difícil de entender y estaba oculto detrás de una pared de expresiones matemáticas. Anhelaba una mejor manera de educar a alguien sobre los principios fundamentales de la computación cuántica.

Quantum + Juego de mesa = ¡Impresionante!

Un fin de semana, mi esposo (también investigador de IBM) y yo compramos un nuevo juego de mesa para jugar juntos. La caja afirmaba que el juego tardó dos horas en jugarse, pero pasamos mucho más tiempo que eso aprendiendo las reglas, tratando de jugar un turno, cometiendo errores y corrigiéndolos consultando constantemente el libro de reglas. Al final, pudimos jugar un juego completo (y, como es costumbre, ¡gané!), Pero al reflexionar sobre este proceso, nos sorprendió la cantidad de tiempo y energía que dedicamos a aprender un juego con reglas arbitrarias. . ¿Qué pasaría si pudiéramos hacer lo mismo, pero aprender algo en el camino?

Así nació la idea de un juego de mesa de computación cuántica.

Diseñar un juego es difícil. ¿Diseñando un juego cuántico? Mucho más duro.

Mi esposo y yo trabajamos juntos para diseñar un juego de mesa con dos objetivos: tenía que ser divertido y tenía que enseñar a los jugadores los principios fundamentales de la computación cuántica. Ambos tenemos experiencia en investigación en interacción humano-computadora (HCI), cuyo objetivo es comprender y mejorar la forma en que las personas interactúan con y a través de la tecnología. Confiamos en dos métodos de investigación principales de HCI para desarrollar nuestro juego: creación de prototipos en papel y diseño iterativo.

El diseño en papel nos permitió realizar cambios rápidos en el juego a medida que probábamos nuevas mecánicas y reglas. Nuestras primeras versiones del juego tomaron prestados muchos componentes de otros juegos de mesa que disfrutamos, además de muchas notas adhesivas y recortes de papel. Después de que nos decidimos por la mecánica del juego que parecía divertida, mostramos nuestro prototipo a un grupo de científicos cuánticos en nuestro laboratorio de IBM Research para obtener comentarios sobre los aspectos científicos. Su comentario favorito para nosotros fue: "esto no es cuántico", enviándonos de vuelta al tablero de dibujo para pensar en nuevas formas de representar un sistema cuántico en cartón. Terminamos creando cinco iteraciones principales de nuestro juego de mesa antes de que nuestros científicos cuánticos nos dieran su sello de aprobación.

La primera versión de nuestro juego de mesa tomó prestados componentes de Carcassone, otro juego que disfrutamos.La tercera iteración de nuestro juego de mesa es muy colorida y fue divertida de jugar, pero nuestros científicos cuánticos consideraron que El Dr. Charles Bennett, miembro de IBM y pionero en el campo de la ciencia de la información cuántica, nos brinda comentarios sobre la segunda iteración de nuestro juego.En la iteración cuatro, nos decidimos por un tema de ciencia ficción en el que los jugadores mueven sus naves espaciales de un planeta a otro para recuperar los componentes de una computadora cuántica.

Objetivos de aprendizaje

Al diseñar un juego para enseñar un tema altamente técnico, pensamos mucho sobre si el objetivo era simplemente presentar a los jugadores conceptos de alto nivel en computación cuántica, o profundizar en los intrincados detalles de los algoritmos de computación cuántica. Para hacer que nuestro juego sea agradable para una amplia gama de jugadores, optamos por poner énfasis en la familiaridad con los conceptos de alto nivel (llamado dominio conceptual) en lugar de centrarnos profundamente en los detalles de los algoritmos cuánticos (llamado dominio técnico). Decidimos que nuestro juego debería exponer a los jugadores a estos conceptos fundamentales en la computación cuántica: qubits y estados cuánticos, superposición, entrelazamiento, medición, error y los diferentes tipos de componentes de hardware y software involucrados en la construcción de una computadora cuántica real. Al principio de nuestro proceso de diseño, ¡el objetivo de nuestro juego era construir una computadora cuántica a partir de sus componentes constitutivos!

¿Cooperativa o competitiva?

Muchos juegos de mesa son competitivos, enfrentando jugador contra jugador en una batalla de ingenio y estrategia. Dado que nuestro objetivo era hacer un juego educativo, sentimos que los mejores resultados de aprendizaje sucederían cuando los jugadores trabajaran juntos para lograr el objetivo del juego. Tomamos esta decisión a partir de las observaciones que hicimos durante nuestras sesiones de prueba de juego: los jugadores a menudo se hacían preguntas como "¿qué pasa si juego esto?" Y "¿cómo funciona esto?". Las discusiones que siguieron a menudo condujeron a una mejor comprensión de La mecánica subyacente del juego, lo que lleva a una sólida comprensión de la mecánica de la computación cuántica. Estos son exactamente los tipos de discusiones que queríamos que los jugadores tuvieran mientras jugaban nuestro juego, y por eso hicimos nuestro juego cooperativo.

Calibración de la dificultad del juego

La calidad que hace que un juego sea excelente radica en su capacidad para desafiar al jugador la cantidad justa en los momentos correctos. Los juegos que son demasiado fáciles son triviales e insatisfactorios; Los juegos que son demasiado difíciles pueden ser frustrantes y llevar al abandono. Por lo tanto, teníamos un fuerte deseo de garantizar que el juego fuera lo suficientemente desafiante como para ser divertido, pero no demasiado difícil como para hacer que los jugadores se rindieran por la frustración o la insatisfacción.

Uno de los desafíos a los que nos enfrentamos al calibrar la dificultad fue que suficientes personas lo probaran para estar seguros de que el juego no era demasiado fácil o demasiado difícil. Para superar este desafío, implementamos un simulador para el juego y los jugadores de IA que podrían jugar juntos. Ejecutamos miles de simulaciones de juegos para ayudarnos a calibrar la dificultad del juego, hacer ajustes y ejecutar más simulaciones para comprender su efecto. Aunque los jugadores de IA no captan realmente cómo la gente jugaría nuestro juego, decidimos empíricamente que las tasas de ganancia del 50-60% para un equipo de IA correspondían a un nivel adecuado de desafío para los jugadores humanos.

Entra Entanglion

Después de mucho trabajo duro iterando con nuestros científicos cuánticos, probando con nuestros colegas y ejecutando miles de simulaciones de juegos, nuestra quinta iteración se convirtió en el juego que ahora llamamos Entanglion. Entanglion (una obra de teatro sobre el enredo de la palabra) se lanzó en diciembre de 2017 como un proyecto de código abierto en Github para que todos puedan disfrutarlo y aprender sobre computación cuántica. Alentamos a todos los interesados ​​en los juegos de mesa, la computación cuántica, o ambos, a disfrutar de nuestro juego y compartirlo con un amigo.

Después de jugar el juego, vaya a QISkit y cree su propio juego, y aprenda más sobre computación cuántica programando uno real.