Quantum games – Definition and development practices

Thumbnail Image

Files

isbn9789526427867.pdf (35.29 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2025-11-21
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

122 app. app. 118

Series

Aalto University publication series Doctoral Theses, 207/2025

Abstract

This dissertation investigates the emerging field of quantum games, examining their defining characteristics, development practices, and broader implications for both science and game design through quantitative and qualitative methods. The research introduces a formal definition for quantum games as games that reference quantum theory, quantum technologies, or quantum computing structured along three key dimensions: perceivable, scientific purposes, or the dimensions of quantum technologies. A quantum game may exhibit one of several of these dimensions. These games span various forms, including video games, board games, and card games, and offer novel ways to engage with complex scientific concepts. Grounded in six peer-reviewed articles, this dissertation draws on an extensive literature review and a systematic play-centric analysis of over 250 games referencing quantum physics. It also presents a longitudinal, participatory observation study of Quantum Game Jams conducted between 2014 and 2022, analysing their role in fostering interdisciplinary collaboration and innovation at the intersection of quantum science and game development. Furthermore, the dissertation provides detailed, practice-led insights from five quantum game projects and the development of two numerical simulators, exploring their design processes and the ways in which they bridge the gap between scientific expertise and creative practice. Based on these studies, guidelines for the development practises in the context of quantum games and Quantum Game Jams are presented. For quantum game development and other quantum software engineering and software application initiatives, the dissertation proposes including the role of a quantum designer, a designated person with a background understanding in both software development and quantum physics. This work contributes to foundational research of quantum games and other sciencerelated games by mapping the diverse landscape of quantum games and proposing methodologies for their development. It highlights the potential of these games to serve as educational tools, facilitate citizen science, and create public engagement with quantum technologies. By offering a framework for understanding and developing quantum games, this research lays the groundwork for future studies and applications in this interdisciplinary domain.

Tämä väitöskirja tutkii kvanttifysiikkaan liittyvien pelien, kvanttipelien kehittyvää kenttää. Tutkimus tarkastelee kvanttipelien ominaispiirteitä, kehitysprosesseja ja laajempia merkityksiä sekä laadullisin että määrällisin menetelmin, sekä esittää muodollisen määritelmän kvanttipeleille. Kvanttipelit ovat pelejä, jotka viittaavat kvanttiteoriaan, kvanttiteknologioihin tai kvanttilaskentaan kolmen keskeisen ulottuvuuden kautta: peleissä on havaittavia elementtejä kvanttifysiikasta, ne palvelevat kvanttifysiikan tutkimukseen liittyvää tieteellistä tai opetuksellista tarkoitusta tai ne hyödyntävät kvanttiteknologioita tai niiden numeerisia simulaatioita. Kvanttipeli voi ilmentää näistä yhtä tai useampaa. Tällaiset pelit kattavat muun muassa video-, kortti- ja lautapelejä, jotka tarjoavat uusia tapoja lähestyä monimutkaisiakin tieteellisiä käsitteitä. Väitöskirja pohjautuu kuuteen vertaisarvioituun artikkeliin ja hyödyntää laajaa kirjallisuuskatsausta sekä yli 250 kvanttifysiikkaan liittyvän pelin systemaattista pelaamiseen perustuvaa analyysia. Se esittää myös osallistuvan pitkittäistutkimuksen Quantum Game Jam -tapahtumista vuosilta 2014–2022, analysoiden niiden roolia alustana monialaiselle yhteistyölle ja innovaatiolle kvanttifysiikan ja pelikehityksen rajapinnassa. Väitöskirja tarjoaa tutkijalähtöisiä, käytännönläheisiä näkökulmia viiteen kvanttipelien kehitysprojektiin, jotka valottavat, miten tieteellinen asiantuntemus ja luova kehitystyö voivat kohdata pelien suunnitteluprosessissa. Lisäksi esitellään kahden numeerisen simulaation kehitystyö osana kvanttipelien suunnittelua ja kansalaistieteellisiä käyttötarkoituksia. Väitöskirja esittää kvanttisuunnittelijan roolin sisällyttämistä kvanttipelien ja muiden kvanttiohjelmistokehityshankkeiden ja niiden sovellustusten toteuttamiseen. Kvanttisuunnittelija on asiantuntija, jolla on taustaymmärrystä sekä ohjelmistokehityksestä että kvanttifysiikasta. Tämä työ edistää kvanttipelien sekä muiden tieteeseen liittyvien pelien perustutkimusta kartoittamalla kvanttipelien monimuotoista kenttää ja esittämällä kehitysmenetelmiä niiden luomiseen. Väitöskirja edistää siten pelien kehittämistä opetuksen ja kansalaistieteen välineiksi, sekä tukee niiden edellytyksiä lisätä yleisön tietoisuutta kvanttiteknologioista. Tarjoamalla viitekehyksen kvanttipelien ymmärtämiseen ja kehittämiseen tutkimus luo pohjaa tuleville tutkimuksille ja sovelluksille tässä monialaisessa kentässä.

Description

Supervising professor

Hämäläinen, Perttu, Prof., Aalto University, Department of Art and Media, Finland; Pekola, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Kultima, Annakaisa, Dr., Aalto University, Department of Art and Media, Finland
Heinosaari, Teiko, Prof., University of Jyväskylä, Finland

Keywords

quantum games, quantum physics, game design, game jams, development practices, kvanttipelit, kvanttifysiikka, pelikehitys, pelijamit, kehityskäytänteet

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Annakaisa Kultima, Laura Piispanen, and Miikka Junnila. Quantum Game Jam – Making Games with Quantum Physicists. In Academic Mindtrek 2021, Tampere, Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 134–144, July 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202509037033
    DOI: 10.1145/3464327.3464349 View at publisher
  • [Publication 2]: Laura Piispanen. Designing Quantum Games and Quantum Art for Exploring Quantum Physics. In IEEE Conference on Games (CoG), Boston, MA, USA, August 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202402142392
    DOI: 10.1109/CoG57401.2023.10333162 View at publisher
  • [Publication 3]: Laura Piispanen, Edward Morrell, Marcel Pfaffhauser, Solip Park, and Annakaisa Kultima. The History of Quantum Games. In IEEE Conference on Games (CoG), Boston, MA, USA, August 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202402142411
    DOI: 10.1109/CoG57401.2023.10333150 View at publisher
  • [Publication 4]: Laura Piispanen, Daria Anttila, and Natasha Skult. Online Quantum Game Jam. In 7th International Conference on Game Jams, Hackathons and Game Creation Events (ICGJ ’23), Association for Computing Machinery, New York, NY, USA. 18-27, August 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202309206003
    DOI: 10.1145/3610602.3610610 View at publisher
  • [Publication 5]: Laura Piispanen. Citizen Science Games on the Timeline of Quantum Games. European Physical Journal Plus, 139, 753, August 2024.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202409116320
    DOI: 10.1140/epjp/s13360-024-05553-w View at publisher
  • [Publication 6]: Laura Piispanen, Marcel Pfaffhauser, James Wootton, Julian Togelius, Annakaisa Kultima. Defining Quantum Games. EPJ Quantum Technology, April 2025.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202503042705
    DOI: 10.1140/epjqt/s40507-025-00308-7 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2786-7

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI