ACM通信
量子游戏
你还记得电影里那只超重的仓鼠吗螺栓坐着有机玻璃球到处跑的人你能想象被困在这样一个球里，滚过一片宜人的乡间草地吗?奇怪的是，当你移动的时候，球会变形成香肠的形状，然后再次向不同的方向膨胀。它有规律地这样做，没有可识别的模式。你的目标是生存到太阳下山，因为你与小恶魔和各种其他空中威胁作战。你唯一的防御手段是一个抓钩，你可以用它来震慑敌人。你可以通过从中心向变形球最远的点发射一个抓钩来积累点数。换句话说，你能想象找到一个最优的点对，使布洛赫球的最大再生长，从而解决量子信息回流的问题吗?
这并不是一个让你成为疯狂的利路比特量子物理学家的受害者的噩梦，而是我们在苏格兰赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)开发的一款科学发现游戏的原型。科学发现游戏“专注于利用人类解决问题的能力来解决计算困难的科学问题”(Cooper, Treuille & Barbero, 2010;1)。有一个不错的评论文章关于使用网络游戏解决科学问题的文章发表在《中国计算机科学》3月刊上。它描述了5.7万名Foldit游戏玩家如何帮助生物化学家发现一种蛋白质的结构，这种蛋白质有助于人类免疫缺陷病毒的繁殖，这是生物化学中一个长期存在的问题。它也总结了其他的人群外包游戏，在这些游戏中，玩家在照片上添加标签，翻译短语和识别天文物体。所有这些游戏都利用了人类优越的图像处理能力。在《Foldit》和其他生物化学游戏中，目标问题是高度空间化的:游戏中蛋白质的3D表示与现实生活中实际蛋白质的结构非常接近。但是，如果目标问题没有明显的2D或3D表现形式，我们的视觉系统无法把握，那么科学发现游戏还能发挥作用吗?一般来说，什么样的科学问题适合以游戏形式呈现?哪些问题可以从非专业的人类直觉中受益?这种方法在多大程度上优于计算技术?
回到疯狂的物理学家和他们的仓鼠球。我们正试图解决量子比特中信息流的动力学问题，物理学家通常用三维球体将其可视化(如果你想了解细节，请参阅Haikka等人，2011)。目前，我们正在围绕一个单量子位问题的三维版本创建游戏，对于这个问题有已知的解决方案(在球体表面)，所以我们可以很容易地检查玩家是否得到了正确答案。但据我所知，有一整套更普遍的问题在多个维度上，没有已知的解决方案。例如，考虑2个量子位而不是1个，我们就会在15维的球体中寻找潜藏在其中的最佳点对。这将是对科学发现游戏方法的真正考验。量子物理学是出了名的不直观。虽然人类在进化过程中是三维推理的能手，但我们大多数人一想到13维推理就会感到很不舒服。在项目的后期阶段，我们需要考虑如何划分和解决问题，让每个玩家都能在3D世界中解决问题的一个小方面，但以某种方式将许多玩家的解决方案整合在一起，形成更普遍的高维问题的一致解决方案。
到目前为止，即使是针对这一问题的简单三维版本设计游戏也非常具有挑战性。因为物理学家经常从几何形状的角度思考这个问题，我们决定在第一人称射击类游戏中利用这一点，而不是适合《Foldit》的解谜游戏类型。我们首先根据一组方程建模Bloch球体，在中间放置一个摄像头，并制作一个抓钩，用户可以将它扔向球体的两侧以获得点数。我们记录了物理学家日后研究所需的数据。这完全符合我们要解决的物理问题，但是——天哪!-那是一场无聊的比赛。事实上，它可能根本不能被描述为游戏，因为它对玩家来说没有挑战，没有奖励，没有失败的方式，也没有任何形式的惩罚。所以我们必须在游戏世界的基本表现形式中插入经典游戏机制，让玩家既能获得乐趣，又能满足物理学家解决问题的要求。我们最终得到了开篇所描述的设计。我们现在正在完善游戏，并将在接下来的几周内与用户进行测试。 If you fancy trying out the hamster ball whilst solving open problems in quantum physics, you’re most welcome. Leave me a comment below.
*项目团队有Sabrina Maniscalco, Suzanne McEndoo, Stephen Kilbride, John Truesdale, Sandy Louchart, Theodore Lim, Judy Robertson。
参考文献
库珀，S.，特鲁伊尔，A.和巴贝罗，J.(2010)。设计科学发现游戏的挑战。数字游戏的基础．从检索http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1822354
P. Haikka, S. McEndoo, G. De Chiara, G. M. Palma, S. Maniscalco, Phys。修订版A 84, 031602(R) (2011)
参见:
http://iopscience.iop.org/0295-5075/92/6/60010/
http://en.wikipedia.org/wiki/Bloch_sphere
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