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Uma ótima lembrança de infância que tenho vem da primeira vez que joguei “The Incredible Machine” no PC no início dos anos 90. Para quem não sabe, este é um jogo de quebra-cabeça baseado em física sobre a construção de engenhocas no estilo Rube Goldberg para realizar tarefas dadas. O que fez este jogo se destacar para mim foi a liberdade que ele concedeu aos jogadores. Em muitos níveis, você recebeu um conjunto diferente de componentes (por exemplo, cordas, polias, elásticos, tesouras, correias transportadoras, Pokie the Cat…) e dependia inteiramente de você “MacGyver” seu caminho para algum tipo de solução (aliás, meu programa de TV favorito daquele período). Em outras palavras, era frequentemente um criativo exercício de projetar sua própria solução, em vez de “conectar os pontos” para encontrar uma única solução pretendida. Crescer com jogos como esse, sem dúvida, teve influência significativa em me direcionar para minha profissão como cientista pesquisador: um trabalho que geralmente envolve encontrar soluções novas ou criativas para uma tarefa, dado um conjunto limitado de ferramentas.
Do final dos anos 90 em diante, jogos de quebra-cabeça como “The Incredible Machine” saíram de moda, pois os desenvolvedores se concentraram mais em jogos 3D que exploravam os últimos avanços de hardware. No entanto, esse gênero viu um ressurgimento em 2010 liderado pelo desenvolvedor “Zachtronics”, que lançou uma infinidade de jogos de quebra-cabeça populares e excepcionalmente desafiadores baseados em lógica e programação (alguns dos meus favoritos incluem Opus Magnum e TIS-100). Os jogos da Zachtronics encorajavam os jogadores a resolver problemas por meio de designs criativos, mas também tinham a efeito colateral de ajudar os jogadores a desenvolver e praticar habilidades de programação tangíveis (por exemplo, padrões de design, fluxo de controle, otimização). Esta é realmente uma ótima maneira de aprenderEu refleti para mim mesmo.
Então, avançando vários anos, enquanto lecionava cursos de graduação/pós-graduação em quântica na Georgia Tech, comecei a pensar se seria possível incorporar a mecânica quântica (e especificamente os circuitos quânticos) em uma Estilo Zachtronics jogo de quebra-cabeça. Meu pensamento era que tal jogo poderia fornecer uma oportunidade para os alunos experimentarem o quântico por meio de uma abordagem prática, que encorajasse a criatividade e a exploração autodirigida. Eu também esperava que representar processos quânticos por meio de uma linguagem visual que enfatizasse a geometria, em vez da linguagem matemática, poderia ajudar os alunos a desenvolver intuição neste cenário. Esses pensamentos levaram, em última análise, ao desenvolvimento de The Qubit Factory. Em sua essência, este é um simulador de circuito quântico com uma interface gráfica (não muito diferente do simulador de circuito quântico Quirk), mas fornecendo uma sequência estruturada de desafios, muitos baseados em tarefas de importância real para a computação quântica, que os jogadores devem construir circuitos para resolver.
Gamificação Quântica e a Fábrica de Qubits
Meu objetivo ao projetar a Qubit Factory era fornecer uma preciso simulação da mecânica quântica (embora não necessariamente uma completo um), de modo que os jogadores pudessem aprender algum conhecimento autêntico e prático sobre computadores quânticos e como eles diferem de computadores comuns. No entanto, eu também queria fazer um jogo que fosse acessível ao leigo (ou seja, sem conhecimento prévio de mecânica quântica ou dos fundamentos matemáticos subjacentes, como álgebra linear). Esses objetivos, que são amplamente opostos, não são fáceis de equilibrar!
Um passo fundamental para atingir esse equilíbrio foi encontrar uma representação visual adequada de estados e processos quânticos; aqui, a esfera de Bloch, que fornece uma representação geométrica simples de estados de qubit, era ideal. No entanto, foi também aqui que fiz meu primeiro grande compromisso com o escopo da física dentro do jogo, restringindo o estado do jogo a funções de onda de valor real (o que, por sua vez, implica que apenas portas que transformam qubits dentro do plano XZ podem ser permitidas). Sinto que esse compromisso foi, em última análise, a escolha correta: ele melhorou muito a clareza visual, permitindo que os qubits fossem representados como setas em um disco plano em vez de uma esfera, e, da mesma forma, permitiu que a ação de portas de qubit único fosse descrita claramente (ou seja, como rotações e inversões no disco). Alguns puristas podem se opor a essa limitação, alegando que ela impede a computação quântica universal, mas meu contraponto seria que ainda há muitas tarefas e algoritmos quânticos interessantes que podem ser realizados dentro desse escopo restrito. Em um espírito similar, decidi abrir mão da notação padrão de circuito quântico: em vez disso, usei circuitos estilizados para enfatizar a interpretação geométrica, como demonstrado no exemplo abaixo. Essa escolha foi feita com a intenção de permitir que os jogadores inferissem a ação dos portões apenas a partir do design visual.
Ok, então enquanto a esfera de Bloch fornece uma boa maneira de representar estados de qubit único (não emaranhados), também precisamos de uma maneira de representar estados emaranhados de múltiplos qubits. Aqui eu usei alguma licença criativa para mostrar estados emaranhados como piscando através dos estados base. Descobri que essa visualização funciona bem para transmitir estados simples, como o estado singlet apresentado abaixo, mas os jogadores também podem visualizar a lista completa de amplitudes de função de onda, se necessário.
Embora o efeito piscante não seja uma solução perfeita para exibir superposições, acho que ele é útil para transmitir aspectos-chave como incerteza e correlação. A animação abaixo mostra um exemplo da função de onda emaranhada colapsando quando um dos qubits é medido.
Então, até agora, descrevi um simulador de circuito quântico com algumas dicas visuais e animações adicionadas, mas como isso pode ser transformado em um jogo? Aqui, me apoiei fortemente no exemplo existente de jogos Zachtronic (e semelhantes a Zachtronic): cada nível em The Qubit Factory fornece ao jogador alguns bits/qubits de entrada e exige que o jogador execute alguma tarefa lógica para produzir um conjunto de saídas desejadas. Alguns dos níveis dentro do jogo são altamente estruturados, semelhantes aos exercícios de livros didáticos. Eles visam ensinar um conceito específico e podem ter apenas um conjunto restrito de soluções potenciais. Um exemplo de tal nível estruturado é o primeiro nível quântico (nível QI.A), que incumbe o jogador de inverter uma sequência de portas de qubit único. Claro, esse problema seria trivial para aqueles que já estão familiarizados com a mecânica quântica: você poderia usar o resultado da álgebra linear 
- o inverso de uma inversão (ou espelhamento em torno de algum eixo) é outra inversão igual.
- o inverso de uma rotação é uma rotação igual na direção oposta.
- o durar a transformação feita em cada qubit deve ser a primeiro transformação a ser invertida.
Então, acho plausível que, mesmo sem conhecimento prévio em mecânica quântica ou álgebra linear, um jogador possa não apenas resolver o nível, mas também entender alguns conceitos importantes (por exemplo, que portas quânticas são invertíveis e que a ordem em que são aplicadas importa).
Muitos dos níveis em The Qubit Factory também são projetados para serem abertos. Esses níveis, que geralmente começam com uma fábrica em branco, não têm uma única solução pretendida. Em vez disso, espera-se que o jogador use experimentação e criatividade para projetar sua própria solução; este é o cenário onde sinto que o formato de “jogo” realmente brilha. Um exemplo de um nível aberto é QIII.E, que dá ao jogador 4 cópias de um único estado de qubit 
A Qubit Factory começa com níveis que abrangem os conceitos básicos de qubits, gates e medições. Mais tarde, progride para conceitos mais avançados, como superposições, mudanças de base e estados emaranhados. Finalmente, culmina com níveis baseados em protocolos e algoritmos quânticos introdutórios (incluindo correção de erro quântico, tomografia de estado, codificação superdensa, repetidores quânticos, destilação de emaranhamento e muito mais). Mesmo que você esteja familiarizado com o material acima mencionado, você ainda deve enfrentar um desafio substancial, então, por favor, confira se isso parece ser sua praia!
O potencial dos jogos quânticos
Acredito que jogos interativos têm grande potencial para fornecer novas oportunidades para as pessoas entenderem melhor o reino quântico (uma posição compartilhada pelo IQIM, cujos membros desenvolveram vários projetos nessa área). Quando crianças, brincar é como descobrimos o mundo ao nosso redor e construímos intuição para as regras que o governam. Esta é talvez uma razão significativa pela qual a mecânica quântica é frequentemente um desafio para novos alunos aprenderem; não temos experiência direta ou intuição com o mundo quântico da mesma forma que temos com o mundo clássico. Uma citação de John Preskill coloca isso de forma muito sucinta:
“Talvez as crianças que crescem jogando jogos quânticos adquiram uma compreensão visceral dos fenômenos quânticos que nossa geração não tem.”
O Qubit Factory pode ser jogado em www.qubitfactory.io
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