Quandoom——量子计算中的Doom游戏项目

导语

Quandoom 项目以极具创意的方式，将这款1993年的第一人称射击游戏完整编码为一个包含7万多个量子位、8000万量子门的量子电路，虽尚无法在真实量子硬件上运行，却通过轻量级C++模拟器让我们一窥“量子游戏”的奇妙世界。这不仅是一次技术实验，更是理解量子计算原理的趣味入口。

关键词：Quandoom、量子计算、Doom游戏、量子位（qubit）、量子门、QASM、量子模拟器、可逆计算、量子电路

碳基宋老师丨作者

引言

想象一下，在量子计算机上运行经典第一人称射击游戏 Doom——这听起来像是科幻小说中的情节，但 Quandoom 项目将这一想法变成了现实。Quandoom 是一个创意十足的开源项目（项目地址：https://github.com/Lumorti/Quandoom/），由量子信息学博士生 Luke Mortimer 创建，旨在将 1993 年发布的经典游戏 Doom 移植到量子计算框架中。这个项目不仅展示了量子计算的潜力，还为学习量子计算提供了一个生动有趣的切入点。

虽然目前的量子计算机还无法直接运行如此复杂的程序，Quandoom 通过一个轻量级的 C++ 模拟器，让我们在普通计算机上体验了“量子版” Doom 的魅力。本文将从基础开始，逐步深入讲解量子计算的核心概念，并结合 Quandoom 项目的实现细节，帮助读者理解量子计算的原理及其应用前景。

量子计算基础

要理解 Quandoom 项目，我们首先需要掌握量子计算的一些基本概念。与经典计算相比，量子计算基于量子力学的奇妙特性，提供了全新的计算方式。

1. 量子位（Qubits）

在经典计算机中，信息以位（bits）为单位存储，每个位只能是 0 或 1。而在量子计算机中，信息的基本单位是量子位（qubits），它的状态更加丰富。量子位不仅可以是 0 或 1，还可以处于两者的叠加态。

• 叠加态：一个量子位的状态可以用数学表达式表示为：

  ∣ ψ ⟩ = α ∣ 0 ⟩ + β ∣ 1 ⟩

  其中 α 和 β 是复数，满足 ∣ α ∣ 2 + ∣ β ∣ 2 = 1 。这意味着量子位可以同时表现为 0 和 1 的某种组合， α 和 β 的平方分别表示测量时得到 0 或 1 的概率。

• 纠缠态：当多个量子位相互关联时，它们可能进入纠缠态。在这种状态下，测量一个量子位会瞬间影响其他量子位的状态，即使它们相距很远。纠缠是量子计算实现并行计算的关键特性。

2. 量子门（Quantum Gates）

量子门是操作量子位的工具，类似于经典计算中的逻辑门（如 AND、OR、NOT）。但与经典逻辑门不同，量子门必须是可逆的，即可以通过逆操作恢复输入状态。这一特性由量子力学的幺正性决定。常见的量子门包括：

• Hadamard 门（H 门）：将量子位从确定的状态（例如 |0\rangle）变为叠加态 (|0\rangle + |1\rangle)/√2，均匀分布在 0 和 1 之间。

• Pauli 门（X、Y、Z 门）：X 门相当于经典的 NOT 门，翻转量子位状态（0 变为 1，1 变为 0）；Y 和 Z 门引入相位变化。

• CNOT 门：受控 NOT 门，当控制量子位为 |1\rangle 时，对目标量子位应用 X 门，用于创建纠缠态。

3. 量子电路（Quantum Circuits）

量子电路是由一系列量子门按顺序排列组成的，用于执行特定的计算任务。可以将其想象为经典计算机中的程序流程图，但在量子世界中，计算过程利用了叠加和纠缠特性。一个量子电路的输入是一组量子位，输出则是经过量子门操作后的新状态。

在 Quandoom 项目中，Doom 游戏的逻辑被编码为一个庞大的量子电路，包含 72376 个量子位 和 8000 万个量子门。这个电路定义了游戏的运行规则，但由于硬件限制，实际运行依赖于模拟器。

Quandoom 项目技术细节

Quandoom 将经典游戏 Doom 的核心逻辑和渲染过程转化为量子计算框架，这一过程既有创意，又充满技术挑战。以下是项目的主要技术细节：

1. QASM 文件

QASM（Quantum Assembly Language，量子汇编语言）是一种描述量子电路的语言，类似于经典计算机的汇编语言。在 Quandoom 中，QASM 文件定义了一个包含 72376 个量子位 和 8000 万个量子门 的量子电路。这个电路将 Doom 的游戏逻辑（例如移动、射击、渲染）编码为量子操作。

然而，当前的量子计算机（例如 IBM 的量子处理器）最多只有几百个量子位，远远无法运行如此大规模的电路。因此，Quandoom 的实际执行依赖于模拟器。

2. C++ 模拟器

为了在普通计算机上运行这个量子电路，作者开发了一个用 C++ 编写的轻量级模拟器。这个模拟器只有 150 行代码，却能在作者的笔记本电脑上以 10-20 帧/秒 的速度运行游戏。它使用了 OpenMP 技术实现并行化加速，并通过 SDL 库 渲染游戏画面。模拟器的核心任务是模拟量子电路的行为，将量子计算结果转化为可显示的游戏画面。

3. 游戏特点与限制

Quandoom 目前只实现了 Doom 的第一关（E1M1），并且由于量子计算的特性，游戏体验与经典版本有显著差异：

• X 射线透视：游戏中所有物体看起来像是透明的，仿佛使用了 X 射线视角。这是因为量子计算的可逆性要求不能丢弃任何信息（详见下文）。

• 无颜色：为了简化计算和渲染，游戏画面只有黑白两色，没有彩色显示。

• 性能限制：即使使用模拟器，运行速度仍受限于电路规模和计算复杂度。

这些特点既是技术限制，也是量子计算特性的直接体现。

量子计算的挑战与应用

Quandoom 项目不仅是一个游戏移植实验，还揭示了量子计算的核心挑战和潜在应用。

1. 可逆性要求

量子计算的所有操作必须是可逆的，这是量子力学的基本要求。经典计算中，逻辑门（如 AND 门）可以丢弃信息（例如将两个输入合并为一个输出），但量子门必须保留所有信息。这种特性在 Quandoom 中导致了一个有趣的现象：在经典 Doom 中，被遮挡的物体会被忽略，而在 Quandoom 中，所有物体都必须显示出来，因此出现了“X 射线透视”效果。

2. 测量与坍缩

在量子计算中，测量是将量子态转换为经典信息的过程。当我们测量一个量子位时，它的叠加态会坍缩为确定的 0 或 1，这一过程不可逆且具有随机性。在 Quandoom 中，游戏画面的生成依赖于测量量子电路的输出，但每次测量后，量子态会丢失，必须重新运行电路以继续游戏。这也是为何项目依赖模拟器而非真实量子硬件的原因之一。

3. 量子并行性

量子并行性是量子计算的最大优势之一。通过将量子位置于叠加态，一个量子电路可以同时对所有可能的输入进行计算。在 Quandoom 中，游戏逻辑可能利用并行性同时处理多个状态，但最终输出仍需通过测量提取。由于测量的随机性，实际应用中需要巧妙的算法设计来利用这一特性。

结论

Quandoom 项目是一个将经典游戏与前沿科技结合的绝佳范例。它不仅展示了量子计算的潜力，还通过一个有趣的实例帮助我们理解量子位、量子门和量子电路等核心概念。虽然目前受限于硬件能力，Quandoom 只能通过 C++ 模拟器运行，但它为我们提供了一个窥探量子计算未来的窗口。

展望未来，随着量子计算机性能的提升，类似 Quandoom 的项目可能会在真实量子硬件上实现，甚至催生全新的计算模式和应用场景。无论是作为教育工具还是技术演示，Quandoom 都让我们感受到量子计算的魅力和无限可能。

参考资料与推荐学习资源

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

• 推荐学习资源：

• • IBM Quantum Experience：IBM 提供的在线量子计算平台。

  • Qiskit Textbook：开源量子计算教材。

  • Quantum Computing for Computer Scientists：面向计算机科学家的量子计算入门书籍。

作者附：

Grok3挺不错的，10次免费think用完，基本上对量子计算和这个项目的一些技术细节清楚了。

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