Quandoom——量子計算中的Doom游戲項目

導語

Quandoom 項目以極具創意的方式，將這款1993年的第一人稱射擊游戲完整編碼為一個包含7萬多個量子位、8000萬量子門的量子電路，雖尚無法在真實量子硬件上運行，卻通過輕量級C++模擬器讓我們一窺“量子游戲”的奇妙世界。這不僅是一次技術實驗，更是理解量子計算原理的趣味入口。

關鍵詞：Quandoom、量子計算、Doom游戲、量子位（qubit）、量子門、QASM、量子模擬器、可逆計算、量子電路

碳基宋老師丨作者

引言

想象一下，在量子計算機上運行經典第一人稱射擊游戲 Doom——這聽起來像是科幻小說中的情節，但 Quandoom 項目將這一想法變成了現實。Quandoom 是一個創意十足的開源項目（項目地址：https://github.com/Lumorti/Quandoom/），由量子信息學博士生 Luke Mortimer 創建，旨在將 1993 年發布的經典游戲 Doom 移植到量子計算框架中。這個項目不僅展示了量子計算的潛力，還為學習量子計算提供了一個生動有趣的切入點。

雖然目前的量子計算機還無法直接運行如此復雜的程序，Quandoom 通過一個輕量級的 C++ 模擬器，讓我們在普通計算機上體驗了“量子版” Doom 的魅力。本文將從基礎開始，逐步深入講解量子計算的核心概念，并結合 Quandoom 項目的實現細節，幫助讀者理解量子計算的原理及其應用前景。

量子計算基礎

要理解 Quandoom 項目，我們首先需要掌握量子計算的一些基本概念。與經典計算相比，量子計算基于量子力學的奇妙特性，提供了全新的計算方式。

1. 量子位（Qubits）

在經典計算機中，信息以位（bits）為單位存儲，每個位只能是 0 或 1。而在量子計算機中，信息的基本單位是量子位（qubits），它的狀態更加豐富。量子位不僅可以是 0 或 1，還可以處于兩者的疊加態。

• 疊加態：一個量子位的狀態可以用數學表達式表示為：

  ∣ ψ ? = α ∣ 0 ? + β ∣ 1 ?

  其中 α 和 β 是復數，滿足 ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 = 1 。這意味著量子位可以同時表現為 0 和 1 的某種組合， α 和 β 的平方分別表示測量時得到 0 或 1 的概率。

• 糾纏態：當多個量子位相互關聯時，它們可能進入糾纏態。在這種狀態下，測量一個量子位會瞬間影響其他量子位的狀態，即使它們相距很遠。糾纏是量子計算實現并行計算的關鍵特性。

2. 量子門（Quantum Gates）

量子門是操作量子位的工具，類似于經典計算中的邏輯門（如 AND、OR、NOT）。但與經典邏輯門不同，量子門必須是可逆的，即可以通過逆操作恢復輸入狀態。這一特性由量子力學的幺正性決定。常見的量子門包括：

• Hadamard 門（H 門）：將量子位從確定的狀態（例如 |0\rangle）變為疊加態 (|0\rangle + |1\rangle)/√2，均勻分布在 0 和 1 之間。

• Pauli 門（X、Y、Z 門）：X 門相當于經典的 NOT 門，翻轉量子位狀態（0 變為 1，1 變為 0）；Y 和 Z 門引入相位變化。

• CNOT 門：受控 NOT 門，當控制量子位為 |1\rangle 時，對目標量子位應用 X 門，用于創建糾纏態。

3. 量子電路（Quantum Circuits）

量子電路是由一系列量子門按順序排列組成的，用于執行特定的計算任務。可以將其想象為經典計算機中的程序流程圖，但在量子世界中，計算過程利用了疊加和糾纏特性。一個量子電路的輸入是一組量子位，輸出則是經過量子門操作后的新狀態。

在 Quandoom 項目中，Doom 游戲的邏輯被編碼為一個龐大的量子電路，包含 72376 個量子位 和 8000 萬個量子門。這個電路定義了游戲的運行規則，但由于硬件限制，實際運行依賴于模擬器。

Quandoom 項目技術細節

Quandoom 將經典游戲 Doom 的核心邏輯和渲染過程轉化為量子計算框架，這一過程既有創意，又充滿技術挑戰。以下是項目的主要技術細節：

1. QASM 文件

QASM（Quantum Assembly Language，量子匯編語言）是一種描述量子電路的語言，類似于經典計算機的匯編語言。在 Quandoom 中，QASM 文件定義了一個包含 72376 個量子位 和 8000 萬個量子門 的量子電路。這個電路將 Doom 的游戲邏輯（例如移動、射擊、渲染）編碼為量子操作。

然而，當前的量子計算機（例如 IBM 的量子處理器）最多只有幾百個量子位，遠遠無法運行如此大規模的電路。因此，Quandoom 的實際執行依賴于模擬器。

2. C++ 模擬器

為了在普通計算機上運行這個量子電路，作者開發了一個用 C++ 編寫的輕量級模擬器。這個模擬器只有 150 行代碼，卻能在作者的筆記本電腦上以 10-20 幀/秒 的速度運行游戲。它使用了 OpenMP 技術實現并行化加速，并通過 SDL 庫 渲染游戲畫面。模擬器的核心任務是模擬量子電路的行為，將量子計算結果轉化為可顯示的游戲畫面。

3. 游戲特點與限制

Quandoom 目前只實現了 Doom 的第一關（E1M1），并且由于量子計算的特性，游戲體驗與經典版本有顯著差異：

• X 射線透視：游戲中所有物體看起來像是透明的，仿佛使用了 X 射線視角。這是因為量子計算的可逆性要求不能丟棄任何信息（詳見下文）。

• 無顏色：為了簡化計算和渲染，游戲畫面只有黑白兩色，沒有彩色顯示。

• 性能限制：即使使用模擬器，運行速度仍受限于電路規模和計算復雜度。

這些特點既是技術限制，也是量子計算特性的直接體現。

量子計算的挑戰與應用

Quandoom 項目不僅是一個游戲移植實驗，還揭示了量子計算的核心挑戰和潛在應用。

1. 可逆性要求

量子計算的所有操作必須是可逆的，這是量子力學的基本要求。經典計算中，邏輯門（如 AND 門）可以丟棄信息（例如將兩個輸入合并為一個輸出），但量子門必須保留所有信息。這種特性在 Quandoom 中導致了一個有趣的現象：在經典 Doom 中，被遮擋的物體會被忽略，而在 Quandoom 中，所有物體都必須顯示出來，因此出現了“X 射線透視”效果。

2. 測量與坍縮

在量子計算中，測量是將量子態轉換為經典信息的過程。當我們測量一個量子位時，它的疊加態會坍縮為確定的 0 或 1，這一過程不可逆且具有隨機性。在 Quandoom 中，游戲畫面的生成依賴于測量量子電路的輸出，但每次測量后，量子態會丟失，必須重新運行電路以繼續游戲。這也是為何項目依賴模擬器而非真實量子硬件的原因之一。

3. 量子并行性

量子并行性是量子計算的最大優勢之一。通過將量子位置于疊加態，一個量子電路可以同時對所有可能的輸入進行計算。在 Quandoom 中，游戲邏輯可能利用并行性同時處理多個狀態，但最終輸出仍需通過測量提取。由于測量的隨機性，實際應用中需要巧妙的算法設計來利用這一特性。

結論

Quandoom 項目是一個將經典游戲與前沿科技結合的絕佳范例。它不僅展示了量子計算的潛力，還通過一個有趣的實例幫助我們理解量子位、量子門和量子電路等核心概念。雖然目前受限于硬件能力，Quandoom 只能通過 C++ 模擬器運行，但它為我們提供了一個窺探量子計算未來的窗口。

展望未來，隨著量子計算機性能的提升，類似 Quandoom 的項目可能會在真實量子硬件上實現，甚至催生全新的計算模式和應用場景。無論是作為教育工具還是技術演示，Quandoom 都讓我們感受到量子計算的魅力和無限可能。

參考資料與推薦學習資源

• 項目地址：https://github.com/Lumorti/Quandoom/

• 推薦學習資源：

• • IBM Quantum Experience：IBM 提供的在線量子計算平臺。

  • Qiskit Textbook：開源量子計算教材。

  • Quantum Computing for Computer Scientists：面向計算機科學家的量子計算入門書籍。

作者附：

Grok3挺不錯的，10次免費think用完，基本上對量子計算和這個項目的一些技術細節清楚了。

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