Quandoom: Eine Quantencomputing-Interpretation des klassischen DOOM

Die technischen Hürden von Quandoom

Das Quandoom-Projekt setzt sich ehrgeizige Ziele, die die aktuellen Grenzen und den immensen Ressourcenbedarf des fehlertoleranten Quantencomputings deutlich machen:

• Um das Spiel nativ auszuführen, wäre theoretisch ein Quantencomputer mit 72.376 logischen Qubits und die Ausführung von etwa 80 Millionen Quantengattern pro Frame erforderlich.
• Zum Vergleich: Der aktuelle Rekordhalter für die höchste Anzahl physikalischer Qubits in einem universellen, gatterbasierten Quantencomputer (Stand Ende 2024) ist deutlich niedriger und liegt oft im Bereich von Hunderten oder wenigen Tausend (z. B. Atom Computings zuvor angekündigtes System mit 1.225 Qubits). Darüber hinaus handelt es sich hierbei um physikalische Qubits und nicht um die fehlerkorrigierten logischen Qubits, die die Anforderungen von Quandoom implizieren.

Diese große Diskrepanz verdeutlicht, wie weit wir derzeit von Quantenhardware entfernt sind, die in der Lage ist, Anwendungen von solcher Komplexität nativ auszuführen.

Simulation auf klassischen Computern: Eine Notlösung

Da kein existierender Quantencomputer Quandoom ausführen kann, entwickelte der Entwickler Luke Mortimer eine kreative Notlösung, um das Konzept zu demonstrieren:

• Er erstellte einen schlanken QASM-Simulator (Quantum Assembly Language), der für die Ausführung auf herkömmlichen klassischen Computern konzipiert ist. QASM ist eine gängige Zwischenrepräsentation für Quantenschaltkreise.
• Bemerkenswerterweise besteht dieser Simulator selbst aus nur etwa 150 Zeilen C++-Code.
• Das Ausführen der Simulation von Quandoom auf einem durchschnittlichen Laptop erreicht eine Framerate von 10-20 Bildern pro Sekunde.
• Die Ausführung dieser Simulation erfordert 5-6 GB RAM, was die erheblichen klassischen Ressourcen unterstreicht, die allein für die Simulation der komplexen Quantenoperationen erforderlich sind, selbst für eine vereinfachte Version des Spiels.

Das Spiel (als Simulation) kann von GitHub heruntergeladen werden, und die Ausführung erfolgt einfach durch Ziehen der QASM-Datei auf die ausführbare Datei des Simulators.

Ein einzigartiges Spielerlebnis, das durch Einschränkungen geprägt ist

Quandoom ist nicht nur ein technischer Proof-of-Concept, sondern bietet auch ein einzigartiges Spielerlebnis, das durch die theoretischen Beschränkungen des Quantencomputings bestimmt wird:

• Es verwendet Drahtgittergrafiken, die an Vektorgrafik-Arcade-Shooter aus den 1980er Jahren erinnern.
• Diese „Röntgenmodus“-Ästhetik erfüllt einen doppelten Zweck: Sie verleiht dem Spiel ein einzigartiges Aussehen und vereinfacht gleichzeitig die visuellen Berechnungen erheblich, wodurch sie in einem Quantenrahmen besser handhabbar werden.
• Dem Spiel fehlen Farben, Musik und Soundeffekte, was den Rechenaufwand weiter reduziert.
• Gegner sind auf einen einzigen Raum beschränkt.
• Der charakteristische Feuerballangriff des Imp-Gegners wird durch eine Sofort-Treffer-Waffe ersetzt (wie die Pistole oder die Kettensäge aus dem Original-DOOM).

Diese wesentlichen Änderungen waren notwendige Kompromisse aufgrund der Beschränkungen, die durch die Prinzipien des Quantencomputings auferlegt werden, insbesondere die grundlegende Anforderung, dass Quantenoperationen reversibel sein müssen. Die Implementierung komplexer Spiellogik, Physik und Rendering unter Einhaltung der Reversibilität ist eine große Herausforderung.

Quelle: https://github.com/Lumorti

Entwicklungsprozess und Zukunftsperspektiven

Luke Mortimer, der Schöpfer von Quandoom, verbrachte etwa ein Jahr mit der Entwicklung des Projekts:

• Dazu gehörte das Schreiben von etwa 8.000 Zeilen C++-Code, um eine kleine 3D-Engine zu entwickeln und die Spiellogik mithilfe von Quantenregisterdarstellungen zu implementieren.
• Er setzte innovative Techniken ein, die für das Design von Quantenalgorithmen notwendig sind, wie z. B. ein Ancilla-System (Verwendung temporärer Qubits für Zwischenberechnungen), ein Garbage-Collection-System (um temporäre Ergebnisse ungeschehen zu machen und die Reversibilität aufrechtzuerhalten) und ein Quanten-Subroutinen-System.
• Derzeit ist nur das erste Level (E1M1) in dieser simulierten Form spielbar. Die GitHub-Seite des Projekts deutet jedoch auf ein potenzielles zukünftiges Wachstum und die Veröffentlichung des C++-Quellcodes hin, wenn ausreichendes Interesse in der Community besteht.

Zusammenfassung

Das Quandoom-Projekt ist mehr als nur ein interessantes Experiment, das Gaming und Quantencomputing verbindet; es dient als einzigartiger Maßstab, der sowohl die potenziellen Anwendungen als auch die aktuellen praktischen Grenzen der Technologie aufzeigt. Während das native Ausführen komplexer Spiele wie DOOM auf Quantencomputern noch eine ferne Zukunftsmusik ist und erhebliche Durchbrüche in Bezug auf Hardware-Skalierung und Fehlerkorrektur erfordert, demonstriert Quandoom auf kreative Weise die Art des Denkens, die erforderlich ist, um klassische Probleme auf Quantenarchitekturen abzubilden.

Diese Initiative kann Entwickler und Forscher dazu inspirieren, die Grenzen des Quantencomputings weiter zu erforschen, neuartige Quantenalgorithmen zu entwickeln und vielleicht völlig neue Formen der Interaktion und des Gameplays zu entdecken, die in Zukunft einzigartig für die Quantenwelt geeignet sind.