Designing and developing a quantum tic-tac-toe game for quantum computers

The field of quantum computing can feel unintuitive and riddled with math for the uninitiated. Several attempts have been made to tackle this issue, one such example can be found in the use of boardgames. There exists multiple quantum versions of classical board games, such as chess and minesweeper. This thesis takes a closer look at one such game, called quantum tic-tac-toe, by Allan Goff. The aim of this thesis is to implement this game twice, once utilizing conventional programming techniques and once utilizing quantum computing, and compare the different solutions to answer whether there are any advantages or disadvantages to using one method over the other. There exists several computational models and paradigms within quantum computing. The one we have chosen to focus on in this thesis is quantum circuits. For the implementation we used Python and IBMs quantum computing framework Qiskit, where most of the game was made in Python. A small part was developed using Qiskit for quantum circuit generation and evaluation. The same part was developed once more using only Python’s standard libraries. This part was responsible for handling the game’s main quantum event. From the comparison we conclude that quantum circuits, and by extension quantum computing, had limited utility in this case. There were several disadvantages, such as no gain in time complexity despite the cost of heavier computations or specialized hardware, and its limited ability to easily express algorithms. The only advantage was the possibility of fairer games due to the potentially true randomness of quantum systems, compared to classical pseudorandom methods used in games today.Kvantmekanik kan ofta kännas ointuitivt och matematiskt för de som inte är insatta. Flertalet försök har gjorts för att försöka minska tröskeln in i området, ett sådant exempel kan vi hitta i användandet av brädspel. Flertalet klassiska brädspel som schack och röj finns i diverse kvantversioner. Denna avhandling kommer fokusera på ett av dessa spel, kvant tre i rad som är skapat av Allan Goff. Målet är att implementera spelet två gånger, först med hjälp av vanliga programmeringstekniker and sedan med hjälp av kvantberäkningar, för att jämföra de olika implementationerna och försöka besvara om det finns någon för- eller nackdel med att använda den ena metoden istället för den andra. Inom kvantberäkningar finner vi flertalet beräkningsmodeller och paradigmer, men den som vi har valt att fokusera på kallas kvant-kretsar (quantum circuits). Implementationen är gjord med Python och IBMs ramverk för kvantberäkningar Qiskit. Spelet implementerades mestadels i Python med standardbiblioteket, men en liten del var även implementerad med hjälp av Qiskit för att kunna generera och evaluera kvantkretsar. Denna del är ansvarig för att hantera spelets huvudsakliga kvanthändelser (quantum event) och användes i jämförelsen. Utifrån jämförelsen drog vi slutsatsen att kvantkretsar, och därför också kvantberäkningar, tillförde begränsad nytta i detta fall. Vi stötte på flertalet nackdelar, som ingen förbättring i tidskomplexitet till priset av tyngre beräkningar eller specialiserad hårdvara, och begränsningar vad gäller uttryckandet av algoritmer. Medan den enda egentliga fördelen var möjligheten att göra spel mer rättvisa tack vare kvantsystemens potentiella indeterministiska slump, till skillnad från den deterministiska pseudo slumpen som ofta används i spel idag