KREQC: Kvantni računar u Kentakiju, rotaciono emuliran: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Zovemo ga "potok" - napisano KREQC: Kentuckyjev rotacijski emulirani kvantni računar. Da, ovo uputstvo će vam pokazati kako napraviti vlastiti radni kvantni računar koji pouzdano radi na sobnoj temperaturi s minimalnim vremenom ciklusa od oko 1/2 sekunde. Ukupni troškovi izgradnje su 50-100 USD.

Za razliku od IBM Q kvantnog računara prikazanog na drugoj fotografiji, KREQC ne koristi izravno fenomene kvantne fizike za implementaciju svojih potpuno zamršenih kubita. Pa, pretpostavljam da bismo mogli tvrditi da sve koristi kvantnu fiziku, ali zapravo samo konvencionalno kontrolirani servo upravljači implementiraju Einsteinovu "sablasnu akciju na daljinu" u KREQC-u. S druge strane, ti servomotori omogućuju KREQC -u da prilično dobro oponaša ponašanje, čineći operaciju lakom za vidjeti i objasniti. Kad smo već kod objašnjenja….

Korak 1: Šta je kvantni računar?

Prije nego što damo objašnjenje, evo veze do lijepog objašnjenja iz dokumentacije IBM Q Experience. Sada ćemo pokušati …

Nema sumnje, već ste čuli više (namjera je dosjetke) o tome kako kubiti poklanjaju čarobne računske sposobnosti kvantnim računarima. Osnovna ideja je da, dok običan bit može biti 0 ili 1, qubit može biti 0, 1 ili neodređen. Samo po sebi, to ne izgleda posebno korisno - a sa samo jednim kubitom nije - ali više zamršenih kubita ima prilično korisno svojstvo da njihove neodređene vrijednosti mogu istovremeno pokriti sve moguće kombinacije bitovnih vrijednosti. Na primjer, 6 bitova može imati bilo koju vrijednost od 0 do 63 (tj. 2^6), dok 6 bitova može imati neodređenu vrijednost koja je sve vrijednosti od 0 do 63 s potencijalno različitom vjerovatnoćom pridruženom svakoj mogućoj vrijednosti. Kada se očita vrijednost kubita, utvrđuju se njegove vrijednosti i svi kubiti koji su njime upleteni, pri čemu se pojedinačna vrijednost pročitana za svaki kubit nasumično bira u skladu s vjerovatnoćama; ako je neodređena vrijednost 75% 42 i 25% 0, tada će otprilike 3 od svaka četiri puta biti izvedeno kvantno računanje, rezultat će biti 42, a drugi put će biti 0. Ključna stvar je da kvantno izračunavanje procjenjuje sve moguće vrijednosti i vraća jedan (od potencijalno više) valjanih odgovora, pokušavajući eksponencijalno mnogo vrijednosti istovremeno - i to je uzbudljiv dio. Bilo bi potrebno 64 6-bitna sistema da urade ono što jedan 6-kubitni sistem može.

Svaki od 6 potpuno isprepletenih kubita KREQC-a može imati rotacijsku vrijednost 0, 1 ili neodređenu. Jednako vjerovatno neodređena vrijednost predstavljena je svim kubitima koji su u vodoravnom položaju. Kako se kvantno računanje nastavlja, vjerovatnoće različitih vrijednosti se mijenjaju - predstavljene u KREQC -u pojedinačnim kubitima koji se klimaju i zauzimaju statističke pozicije koje odražavaju vjerovatnoće vrijednosti. Na kraju, kvantno računanje se završava mjerenjem upletenih kubita, koji neodređenu vrijednost ruši u potpuno određen niz od 0s i 1s. U gornjem videu vidite kako KREQC izračunava "odgovor na krajnje pitanje života, univerzuma i svega" - drugim riječima, 42 … što je u binarnom obliku 101010, sa 101 u zadnjem redu kubita i 010 u prednji.

Naravno, postoje neki problemi s kvantnim računarima, a i KREQC ih trpi. Očigledan je jedan da mi zaista želimo milijune kubita, a ne samo 6. Međutim, važno je napomenuti i da kvantni računari primjenjuju samo kombinatornu logiku - za razliku od onoga što mi računalni inženjeri nazivamo mašinom stanja. U osnovi, to znači da je kvantna mašina sama po sebi manje sposobna od Turingove mašine ili konvencionalnog računara. U slučaju KREQC-a, implementiramo strojeve stanja kontrolirajući KREQC pomoću konvencionalnog računara za izvođenje niza kvantnih izračunavanja, po jedno po posjećivanju države u izvođenju stroja stanja.

Pa idemo izgraditi kvantni računar sobne temperature!

Korak 2: Alati, dijelovi i materijali

KREQC nema puno toga, ali trebat će vam neki dijelovi i alati. Počnimo s alatima:

• Pristup 3D štampaču za potrošače. Bilo bi moguće napraviti KREQC -ove kubite pomoću CNC glodalice i drva, ali mnogo je lakše i urednije izraditi ih ekstrudiranjem PLA plastike. Najveći 3D ispisani dio ima dimenzije 180x195x34mm, pa su stvari mnogo lakše ako pisač ima dovoljno veliku količinu ispisa da to može odštampati u jednom komadu.
• Lemilica. Koristi se za zavarivanje PLA dijelova.
• Rezači žice ili nešto drugo što može rezati male plastične dijelove debljine 1 mm (servo rogove).
• Po izboru, alati za obradu drveta za izradu drvene podloge za postavljanje kubita. Baza nije strogo potrebna jer svaki bit ima ugrađeno postolje koje bi omogućilo da upravljački kabel prođe straga.

Ne trebate ni mnogo dijelova ni materijala:

• PLA za pravljenje kubita. Ako se štampa sa 100% ispunjenosti, i dalje bi bilo manje od 700 grama PLA po kubitu; pri razumnijem punjenju od 25%, 300 grama bi bila bolja procjena. Tako se 6 kubita moglo napraviti samo pomoću jedne kaleme od 2 kg, po materijalnoj cijeni od oko 15 USD.
• Jedan mikro servo SG90 po kubitu. Oni su dostupni za manje od 2 USD svaki. Obavezno nabavite mikro servosisteme koji određuju rad pozicioniranja od 180 stepeni-ne želite one od 90 stepeni niti želite one koji su dizajnirani za kontinuirano okretanje promjenjivom brzinom.
• Ploča servo upravljača. Postoji mnogo izbora, uključujući korištenje Arduina, ali vrlo jednostavan izbor je Pololu Micro Maestro 6-kanalni USB servo kontroler koji košta ispod 20 USD. Postoje i druge verzije koje podržavaju 12, 18 ili 24 kanala.
• Produžni kablovi za SG90 po potrebi. Kabeli na SG90 -ima se razlikuju po duljini, ali trebat će vam da qubits budu odvojeni najmanje 6 inča, pa će biti potrebni produžni kabeli. To je lako ispod 0,50 USD svaki, ovisno o dužini.
• Napajanje od 5V za Pololu i SG90s. Obično se Pololu napaja putem USB veze s prijenosnim računarom, ali može biti pametno imati zasebno napajanje za servo pogone. Koristio sam zidnu bradavicu od 5V 2.5A koju sam imao u blizini, ali nove 3A mogu se kupiti za manje od 5 USD.
• Opcionalno, dvostrana traka za držanje stvari zajedno. VHB (Vrlo visoka veza) traka dobro drži kako bi spojila vanjsku ljusku svakog kubita zajedno, iako zavarivanje djeluje još bolje ako ga nikada ne morate rastaviti.
• Po izboru, drvo i završni materijal za izradu podloge. Naš je napravljen od ostataka iz trgovine i spojen je spojevima keksa, s nekoliko slojeva prozirnog poliuretana kao završnom završnom obradom.

Sve u svemu, 6-kubitni KREQC koji smo izgradili koštao je oko 50 dolara u zalihama.

Korak 3: 3D-štampani dijelovi: unutrašnji dio

Svi dizajni 3D dijelova su slobodno dostupni kao Thing 3225678 u Thingiverse. Odmah nabavite svoj primjerak … pričekat ćemo….

Ah, vratio se tako brzo? Uredu. Stvarni "bit" u qubit -u je jednostavan dio koji se ispisuje u dva dijela jer se lakše nositi sa zavarivanjem dva komada zajedno nego pomoću nosača za ispis podignutih slova s obje strane jednog dijela.

Preporučujem da ovo odštampate u boji koja je u kontrastu s vanjskim dijelom kubita - na primjer crnom. U našoj verziji, gornjih 0,5 mm smo odštampali u bijeloj boji kako bismo dali kontrast, ali to je zahtijevalo promjenu filamenta. Ako ne želite to učiniti, uvijek možete samo obojiti podignute površine "1" i "0". Oba ova dijela ispisuju se bez raspona, a time i bez nosača. Koristili smo 25% ispune i 0,25 mm visine istiskivanja.

Korak 4: 3D-štampani dijelovi: vanjski dio

Vanjski dio svakog kubita pomalo je složeniji. Prvo, ovi komadi su veliki i ravni, pa podliježu velikom dizanju s vašeg ležišta za ispis. Obično štampam na vrućem staklu, ali za to je bio potreban dodatni štapić na vrućoj plavoj slikarskoj traci kako bi se izbjeglo savijanje. Opet, 25% ispune i 0,25 mm visine sloja bi trebali biti više nego dovoljni.

I ovi dijelovi imaju raspone. Šupljina koja drži servo ima raspone s obje strane i ključno je da dimenzije ove šupljine budu ispravne - pa je potrebno štampanje s podrškom. Kanal za usmjeravanje kabela nalazi se samo na debljoj stražnjoj strani i konstruiran je tako da se izbjegnu bilo kakvi rasponi, osim manjeg bita u samoj bazi. Unutrašnjost podnožja na oba komada tehnički ima nepodržani raspon za unutrašnju krivulju baze, ali nije važno da li taj dio otiska malo popušta, pa vam tamo ne treba podrška.

Opet, izbor boja koji je u kontrastu s unutrašnjim dijelovima učinit će "Q" kubita vidljivijim. Iako smo ispisali prednju stranu s dijelovima "AGGREGATE. ORG" i "UKY. EDU" u bijeloj PLA na plavoj pozadini PLA, možda će vam se dopasti niži kontrastni izgled boje karoserije. Cijenimo što ste ih ostavili da podsjete gledatelje odakle je dizajn došao, ali nema potrebe da vizualno izvikujete ove URL -ove.

Nakon što su ti dijelovi odštampani, uklonite sav potporni materijal i provjerite da li servo pristaje tako da se dva dijela drže zajedno. Ako se ne uklapa, nastavite sa odabirom materijala za podršku. Prilično je usko prianjanje, ali bi trebalo omogućiti da se dvije polovice spoje zajedno. Uočite da u ispisu namjerno nema struktura poravnanja jer bi ih čak i blago savijanje spriječilo da spriječe montažu.

Korak 5: Sastavite unutrašnji dio

Uzmite dva unutrašnja dijela i poravnajte ih leđa unatrag tako da se šiljasti zaokret s lijeve strane "1" poravna s šiljatim zakretom na "0". Po želji ih možete privremeno držati zajedno s dvostranom trakom, ali ključ je koristiti vruće lemilicu za njihovo zavarivanje.

Dovoljno je zavariti tamo gdje se rubovi spajaju. Učinite to tako da prvo zavarite šavovima za lemljenje kako biste povukli PLA zajedno preko ruba između dva komada na nekoliko mjesta. Nakon što su dijelovi spojeni, prođite lemilicom po cijelom šavu kako biste stvorili trajni zavar. Dva komada bi trebala činiti dio prikazan na gornjoj slici.

Prikladnost ovog zavarenog dijela možete provjeriti umetanjem u stražnji vanjski dio. Morat ćete ga lagano nagnuti kako biste šiljasti zaokret postavili na stranu koja nema servo šupljinu, ali jednom bi se trebao slobodno okretati.

Korak 6: Orijentirajte servo i postavite trubu

Da bi ovo funkcioniralo, moramo imati poznatu direktnu korespondenciju između servo kontrole i rotacijskog položaja serva. Svaki servo ima minimalnu i maksimalnu širinu impulsa na koju će reagirati. Morat ćete ih empirijski otkriti za svoje servomotore, jer računamo na puni pomak od 180 stupnjeva, a različiti proizvođači proizvode SG90 s nešto drugačijim vrijednostima (u stvari, i oni imaju malo različite veličine, ali bi trebali biti dovoljno blizu stane unutar dozvoljenog prostora). Nazovimo najkraću širinu impulsa "0", a najdužu "1".

Uzmite jednu od sirena koje ste dobili uz servo i odrežite krila s nje pomoću rezača žice ili bilo kojeg drugog odgovarajućeg alata - kao što se vidi na gornjoj fotografiji. Vrlo fini korak zupčanika na servo je vrlo teško 3D ispisati, pa ćemo umjesto toga koristiti centar jednog od servo truba. Postavite obrezani servo trub na jedan od servomotora. Sada priključite servo, postavite ga u položaj "1" i ostavite ga u tom položaju.

Vjerojatno ste primijetili da osovina koja nije šiljasta ima cilindričnu šupljinu koja je otprilike veličine glave zupčanika na vašem servo pogonu-i nešto manja od promjera vašeg obrezanog središta trube. Uzmite vruće lemilicu i nježno ga zavrtite unutar rupe u zakretnoj osovini, a također i oko vanjske strane obrezanog središta trube; ne pokušavate ni da se otopite, već samo da ih omekšate. Zatim, držeći servo, gurnite središte trube ravno u otvor na zaokretu sa servo u položaju koji bi trebao biti u položaju "1" - s unutarnjim dijelom koji prikazuje "1" kada je servo postavljen onako kako bi bilo kada leži u šupljini u vanjskom stražnjem dijelu.

Trebali biste vidjeti kako se PLA malo preklapa na sebi dok gurate podrezanu trubu, stvarajući vrlo čvrstu vezu s trubom. Pustite da se veza malo ohladi, a zatim izvucite servo. Truba bi sada trebala dovoljno dobro spojiti dio tako da servo može slobodno okretati dio bez značajnijih zazora.

Korak 7: Sastavite svaki Qubit

Sada ste spremni za izgradnju kubita. Vanjski stražnji dio postavite na ravnu površinu (npr. Stol) tako da servo šupljina gleda prema gore, a postolje visi preko ruba površine tako da vanjski stražnji dio sjedi ravno. Sada uzmite servo i unutrašnji dio pričvršćen za trubu i umetnite ih u stražnji vanjski dio. Pritisnite kabel sa servo u kanal za to.

Nakon što sve sjedne u ravnini, postavite prednji vanjski dio preko sklopa. Priključite servo i upravljajte njime držeći sklop zajedno kako biste bili sigurni da ništa ne veže ili nije usklađeno. Sada ili upotrijebite VHB traku ili upotrijebite lemilicu za zavarivanje vanjske prednje i stražnje strane.

Ponovite ove korake za svaki kubit.

Korak 8: Montiranje

Mala baza svakog kubita ima izrez na stražnjoj strani koji bi vam omogućio da izvučete servo kabel straga za povezivanje s vašim kontrolerom, a baza je dovoljno široka da svaki kubit može biti stabilan sam po sebi, pa jednostavno možete staviti produžite kabele na svakom servo uređaju i provucite ih preko stola ili druge ravne površine. Međutim, to će pokazati žice koje ih povezuju….

Osjećam da gledanje žica uništava iluziju sablasnog djelovanja na daljinu, pa radije potpuno sakrivam žice. Da bismo to učinili, potrebna nam je samo montažna platforma s rupom ispod svakog kubita koja je dovoljno velika da konektor servo kabela može proći. Naravno, željeli bismo da svaki kubit ostane na svom mjestu, tako da postoje tri 1/4-20 rupe sa rupom u bazi. Namjera je koristiti središnju, ali ostale se mogu upotrijebiti da stvari budu sigurnije ili ako se središnji konac ogoli prejakim zatezanjem. Dakle, jedan buši dvije blisko razmaknute rupe u podnožju za svaki qubit: jedan za prolaz navoja vijka 1/4-20, drugi za prolaz konektora servo kabela.

Budući da je drvo 3/4 "najčešće, vjerojatno ćete ga htjeti upotrijebiti za vrh baze-kao što sam i ja učinio. U tom slučaju trebat će vam 1/4-20 vijak ili vijak otprilike 1,25" dugo. Možete ih kupiti u bilo kojoj željezariji po cijeni od oko 1 USD za šest. Alternativno, možete ih 3D ispisati … ali preporučujem da ih ispisujete jedan po jedan ako ih ispisujete jer to minimizira nedostatke u finom navoju vijka.

Očigledno, dimenzije nosača nisu kritične, ali one će odrediti duljinu produžnih kabela koje ćete trebati. KREQC je rađen kao dva reda od tri kubita prvenstveno kako bi se nosač uklopio u ručni kovčeg, tako smo ga donijeli na našu izložbu istraživanja IEEE/ACM SC18.

Korak 9: Obilježite ga

Kao posljednji korak, ne zaboravite označiti svoj kvantni računar!

3D smo odštampali natpisnu pločicu u crnoj boji na zlatu, koja je zatim pričvršćena na drveni prednji dio baze. Slobodno označite svoje na druge načine, kao što je 2D štampanje priložene slike PDF sa natpisne ploče laserskim ili inkjet štampačem. Također ne bi škodilo označiti svaki kubit sa njegovim položajem, posebno ako postanete previše kreativni u pogledu načina na koji kubite postavljate na bazu.

Možda ćete uživati i u dijeljenju privjesaka od qubita od 3D printa; nisu zapleteni niti su motorizirani, ali se slobodno okreću kad na njih pušete i čine odličan podsjetnik za ponijeti na demonstraciju KREQC-a.