KREQC: Calculatorul cuantic cu emulație rotațională din Kentucky: 9 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Îl numim „pârâu” - scris KREQC: calculatorul cuantic emulat rotativ din Kentucky. Da, această instrucțiune vă va arăta cum să vă creați propriul computer cuantic de lucru care funcționează în mod fiabil la temperatura camerei cu un ciclu minim de aproximativ 1/2 secundă. Costul total de construcție este de 50 $ - 100 $.

Spre deosebire de computerul cuantic IBM Q prezentat în a doua fotografie, KREQC nu folosește direct fenomene de fizică cuantică pentru a-și implementa qubiturile complet încurcate. Ei bine, presupun că am putea argumenta că totul folosește fizica cuantică, dar într-adevăr servo-urile controlate convențional implementează „acțiunea infricosatoare a lui Einstein la distanță” în KREQC. Pe de altă parte, aceste servere permit KREQC să emule comportamentul destul de bine, făcând operația ușor de văzut și explicat. Apropo de explicații….

Pasul 1: Ce este un computer cuantic?

Înainte de a da explicația noastră, iată un link către o explicație frumoasă din documentația IBM Q Experience. Acum ne vom împușca …

Fără îndoială, ați auzit mai mult de un pic (intenționat jocul de cuvinte) despre modul în care qubitii conferă abilități de calcul magice computerelor cuantice. Ideea de bază este că, deși un bit obișnuit poate fi 0 sau 1, un qubit poate fi 0, 1 sau nedeterminat. În sine, acest lucru nu pare deosebit de util - și cu un singur qubit nu este - dar mai mulți qubits încurcați au proprietatea destul de utilă că valorile lor nedeterminate pot acoperi simultan toate combinațiile posibile de valori de biți. De exemplu, 6 biți pot avea orice valoare de la 0 la 63 (adică 2 ^ 6), în timp ce 6 qubiți pot avea o valoare nedeterminată, care este toate valorile de la 0 la 63 cu o probabilitate potențial diferită asociată cu fiecare valoare posibilă. Când se citește valoarea unui qubit, se determină valorile acestuia și toate qubiturile încurcate cu acesta, singura valoare citită pentru fiecare qubit fiind selectată aleator în conformitate cu probabilitățile; dacă valoarea nedeterminată este de 75% 42 și 25% 0, atunci aproximativ 3 din patru ori se efectuează calculul cuantic, rezultatul va fi 42 și celelalte ori va fi 0. Punctul cheie este că calculul cuantic evaluează toate valorile posibile și returnează unul (din posibilele multiple) răspunsuri valabile, încercând exponențial multe valori simultan - și aceasta este partea interesantă. Ar fi nevoie de 64 de sisteme de 6 biți pentru a face ceea ce poate face un sistem de 6 qubit.

Fiecare dintre cele 6 qubite complet încurcate ale KREQC pot avea o valoare de rotație 0, 1 sau nedeterminată. Valoarea nedeterminată echiprobabilă este reprezentată de toate qubiturile aflate în poziție orizontală. Pe măsură ce se desfășoară un calcul cuantic, probabilitățile diferitelor valori se schimbă - reprezentate în KREQC de qubiturile individuale care se clatină și presupun poziții statistice care reflectă probabilitățile valorilor. În cele din urmă, calculul cuantic este terminat prin măsurarea qubiturilor încurcate, care prăbușește valoarea nedeterminată într-o secvență complet determinată de 0s și 1s. În videoclipul de mai sus, vedeți KREQC calculând „răspunsul la întrebarea finală a vieții, a universului și a tuturor” - cu alte cuvinte, 42 … care în binar este 101010, cu 101 în rândul din spate al qubitelor și 010 în frontul.

Desigur, există unele probleme cu computerele cuantice, iar KREQC le suferă și ele. Un lucru evident este că vrem cu adevărat milioane de qubiți, nu doar 6. Cu toate acestea, este de asemenea important să rețineți că computerele cuantice implementează doar logică combinatorie - spre deosebire de ceea ce noi inginerii de computere numim o mașină de stat. Practic, asta înseamnă că o mașină cuantică de la sine este mai puțin capabilă decât o mașină Turing sau un computer convențional. În cazul KREQC, implementăm mașini de stat controlând KREQC folosind un computer convențional pentru a efectua o secvență de calcule cuantice, câte una pe vizită de stat în execuția mașinii de stat.

Deci, hai să construim un computer cuantic la temperatura camerei!

Pasul 2: Instrumente, piese și materiale

KREQC nu are multe, dar veți avea nevoie de unele piese și instrumente. Să începem cu instrumentele:

• Acces la o imprimantă 3D de consum. Ar fi posibil să fabricați qubiturile KREQC folosind o mașină de frezat CNC și lemnul, dar este mult mai ușor și mai ușor să le faceți extrudând plastic PLA. Cea mai mare parte tipărită 3D are 180x195x34mm, deci lucrurile sunt mult mai ușoare dacă imprimanta are un volum de imprimare suficient de mare pentru a o imprima dintr-o singură bucată.
• Un fier de lipit. Pentru a fi folosit la sudarea pieselor PLA.
• Freze de sârmă sau altceva care poate tăia piese mici din plastic de 1 mm grosime (coarnele servo).
• Opțional, unelte pentru prelucrarea lemnului pentru realizarea unei baze de lemn pentru montarea qubiturilor. O bază nu este strict necesară, deoarece fiecare bit are un suport încorporat care ar permite unui cablu de control să treacă în spate.

Nici nu aveți nevoie de multe piese și nici de materiale:

• PLA pentru realizarea qubitilor. Dacă se imprimă la umplere 100%, ar fi totuși mai puțin de 700 de grame de PLA pe qubit; la o umplere mai rezonabilă de 25%, 300 de grame ar fi o estimare mai bună. Astfel, s-ar putea realiza 6 qubiți folosind doar o bobină de 2 kg, la un cost material de aproximativ 15 USD.
• Un micro servo SG90 pe qubit. Acestea sunt ușor disponibile pentru mai puțin de 2 USD fiecare. Asigurați-vă că obțineți micro-servo-uri care specifică funcționarea de poziționare la 180 de grade - nu doriți altele de 90 de grade și nici nu doriți cele concepute pentru rotație continuă la viteză variabilă.
• O placă servo controler. Există multe opțiuni, inclusiv utilizarea unui Arduino, dar o alegere foarte ușoară este controlerul USB Servo 6-Channel Pololu Micro Maestro, care costă sub 20 USD. Există și alte versiuni care pot gestiona 12, 18 sau 24 de canale.
• Cabluri prelungitoare pentru SG90, după cum este necesar. Cablurile de pe SG90 variază oarecum în lungime, dar veți avea nevoie de qubits pentru a fi separați de cel puțin 6 inci, deci vor fi necesare cabluri de extensie. Acestea sunt ușor sub 0,50 USD fiecare, în funcție de lungime.
• O sursă de alimentare de 5V pentru Pololu și SG90. În mod normal, Pololu este alimentat prin conexiune USB la un laptop, dar poate fi înțelept să aveți o sursă de alimentare separată pentru servos. Am folosit o verucă de perete de 5V 2.5A pe care o aveam în jur, dar cele noi de 3A pot fi achiziționate cu sub 5 USD.
• Opțional, bandă pe două fețe pentru a ține lucrurile împreună. Banda VHB (Very-High Bond) funcționează bine pentru a menține carcasa exterioară a fiecărui qubit împreună, deși sudarea funcționează și mai bine dacă nu trebuie să o dezlipiți niciodată.
• Opțional, lemn și materiale de finisare pentru realizarea bazei. Al nostru a fost realizat din resturi de magazin și este ținut împreună de îmbinări de biscuiți, având ca finisaj final mai multe straturi de poliuretan transparent.

În concluzie, KREQC de 6 qubit pe care l-am construit a costat aproximativ 50 de dolari în consumabile.

Pasul 3: Părți imprimate 3D: partea interioară

Toate modelele de piese imprimate 3D sunt disponibile gratuit ca Thing 3225678 la Thingiverse. Du-te să-ți iei copia acum … vom aștepta …

Ah, înapoi atât de curând? Bine. „Bitul” real în qubit este o parte simplă care este tipărită în două bucăți, deoarece este mai ușor să se ocupe de sudarea a două bucăți împreună decât de a utiliza suporturi pentru a imprima litere ridicate pe ambele fețe ale unei părți.

Vă recomandăm să imprimați acest lucru într-o culoare care contrastează cu partea exterioară a qubitului - de exemplu, negru. În versiunea noastră, am imprimat partea superioară de 0,5 mm în alb pentru a oferi contrast, dar asta a necesitat schimbarea filamentului. Dacă preferați să nu faceți asta, puteți vopsi întotdeauna suprafețele ridicate ale „1” și „0.” Ambele părți imprimă fără întinderi și, prin urmare, fără suporturi. Am folosit 25% umplutură și 0,25 mm înălțime de extrudare.

Pasul 4: Părți imprimate 3D: partea exterioară

Partea exterioară a fiecărui qubit este puțin mai complicată. În primul rând, aceste piese sunt mari și plate, prin urmare pot fi ridicate de pe patul de imprimare. În mod normal, imprim pe sticlă fierbinte, dar acestea necesită un stick suplimentar de imprimare pe banda de pictor albastru fierbinte pentru a evita deformarea. Din nou, umplerea cu 25% și înălțimea stratului de 0,25 mm ar trebui să fie mai mult decât suficiente.

Aceste părți au, de asemenea, ambele întinderi. Cavitatea care ține servo-ul are întinderi pe ambele părți și este esențial ca dimensiunile acestei cavități să fie corecte - deci trebuie să imprimeți cu suport. Canalul de direcționare a cablurilor se află doar pe partea din spate mai groasă și este construit pentru a evita întinderile, cu excepția unui bit minor chiar la bază. Partea interioară a bazei de pe ambele piese are un interval tehnic neacceptat pentru curba interioară a bazei, dar nu contează dacă acea porțiune de imprimare cade puțin, deci nu aveți nevoie de suport acolo.

Din nou, o alegere de culoare care contrastează cu părțile interioare va face „Q”-ul qubiturilor mai vizibil. Deși am imprimat partea din față cu piesele „AGGREGATE. ORG” și „UKY. EDU” în PLA albă pe fundalul albastru PLA, s-ar putea să arătați că aspectul cu un contrast mai redus este că culoarea corpului este mai atrăgătoare. Vă mulțumim că îi lăsați acolo pentru a reaminti spectatorilor de unde a venit designul, dar nu este nevoie să strigați vizual aceste adrese URL.

Odată ce aceste piese au fost tipărite, îndepărtați orice material de susținere și asigurați-vă că servo-ul se potrivește cu cele două piese ținute împreună. Dacă nu se potrivește, continuați să alegeți materialul de susținere. Este o potrivire destul de strânsă, dar ar trebui să permită ambelor jumătăți să fie împinse la un loc. Observați că nu există în mod deliberat structuri de aliniere în imprimare, deoarece chiar și o ușoară deformare le-ar determina să împiedice asamblarea.

Pasul 5: Asamblați partea interioară

Luați cele două părți interioare și aliniați-le spate-în-spate astfel încât pivotul ascuțit din stânga „1” să se alinieze cu pivotul ascuțit pe „0.” Le puteți ține temporar împreună cu bandă pe două fețe, dacă doriți, dar cheia este să utilizați un fier de lipit fierbinte pentru a le suda împreună.

Este suficient să sudați acolo unde marginile se unesc. Faceți acest lucru prin prima sudare prin lipire folosind fierul de lipit pentru a trage PLA împreună peste marginea dintre cele două piese în mai multe puncte. După ce piesele au fost lipite împreună, rulați fierul de lipit în jurul cusăturii pentru a crea o sudură permanentă. Cele două piese ar trebui să facă partea prezentată în imaginea de mai sus.

Puteți verifica potrivirea acestei piese sudate introducând-o în partea exterioară din spate. Va trebui să îl înclinați ușor pentru a obține pivotul ascuțit în partea care nu are cavitatea servo, dar odată introdusă, ar trebui să se rotească liber.

Pasul 6: Orientează Servo-ul și Setează Cornul

Pentru ca acest lucru să funcționeze, trebuie să avem o corespondență directă cunoscută între controlul servo și poziția de rotație a servo-ului. Fiecare servo are o lățime minimă și maximă a impulsului la care va răspunde. Va trebui să le descoperiți în mod empiric pentru servomotoarele dvs., deoarece ne bazăm pe deplina mișcare de 180 de grade și diferiți producători produc SG90-uri cu valori ușor diferite (de fapt, au și dimensiuni ușor diferite, dar ar trebui să fie suficient de apropiate de se încadrează în spațiul permis). Să numim cea mai scurtă lățime a impulsului „0” și cea mai lungă „1”.

Luați unul dintre coarnele care au venit cu servo-ul și tăiați aripile de pe acesta folosind tăietori de sârmă sau orice alt instrument adecvat - așa cum se vede în fotografia de mai sus. Pasul foarte fin al angrenajului pe servo este foarte dificil de imprimat 3D, așa că vom folosi în schimb centrul unuia dintre coarnele servo pentru asta. Puneți claxonul servo tăiat pe unul dintre servo-uri. Acum conectați servo-ul, puneți-l în poziția "1" și lăsați-l în acea poziție.

Probabil ați observat că pivotul fără vârf are o cavitate cilindrică, care este de aproximativ dimensiunea capului de transmisie de pe servo - și ceva mai mic decât diametrul centrului tăiat al cornului. Luați fierul de lipit fierbinte și rotiți-l ușor în interiorul orificiului din pivot și, de asemenea, în jurul exteriorului centrului cornului tăiat; Nici tu nu încerci să te topesti, ci doar să le înmoaie. Apoi, ținând servo-ul, împingeți centrul claxonului direct în orificiul din pivot cu servo-ul în ceea ce ar trebui să fie poziția „1” - cu partea interioară afișând „1” când servo-ul este poziționat așa cum ar fi atunci când odihnindu-se în cavitatea din partea posterioară exterioară.

Ar trebui să vedeți PLA rabatându-se puțin pe sine în timp ce împingeți cornul tăiat, creând o conexiune foarte fermă la corn. Lăsați legătura să se răcească puțin și apoi scoateți servo. Claxonul ar trebui să lege acum piesa suficient de bine, astfel încât servo să poată roti în mod liber piesa fără joc semnificativ.

Pasul 7: Asamblați fiecare Qubit

Acum ești gata să construiești qubitii. Așezați partea din spate exterioară pe o suprafață plană (de exemplu, o masă) astfel încât cavitatea servo să fie orientată în sus și suportul să atârne peste marginea suprafeței, astfel încât partea din spate exterioară să stea plat. Acum luați servo și partea interioară atașată de claxon și introduceți-le în partea exterioară posterioară. Apăsați cablul de la servo în canal pentru acesta.

Odată ce toate acestea stau la culoare, așezați partea exterioară frontală peste ansamblu. Cuplați servo-ul și acționați-l în timp ce țineți ansamblul împreună pentru a vă asigura că nimic nu se leagă sau nu este aliniat greșit. Acum, fie folosiți bandă VHB, fie folosiți un fier de lipit pentru a sudura fața exterioară și spatele împreună.

Repetați acești pași pentru fiecare qubit.

Pasul 8: Montare

Mica bază a fiecărui qubit are o tăietură în spate care vă va permite să rulați cablul servo în spate pentru a vă conecta la controler, iar baza este suficient de largă pentru ca fiecare qubit să fie stabil de la sine, astfel încât să puteți pur și simplu pune cabluri de extensie pe fiecare servo și rulați-le răspândite pe o masă sau pe altă suprafață plană. Cu toate acestea, aceasta va arăta firele care le conectează….

Simt că a vedea firele strică iluzia acțiunii înfricoșătoare la distanță, așa că prefer să ascund firele complet. Pentru a face acest lucru, tot ce avem nevoie este o platformă de montare cu o gaură sub fiecare qubit, care este suficient de mare pentru a trece conectorul cablului servo. Desigur, ne-ar plăcea ca fiecare qubit să rămână acolo unde este așezat, așa că există trei găuri 1 / 4-20 filetate în bază. Intenția este de a folosi cea centrală, dar celelalte pot fi folosite pentru a face lucrurile mai sigure sau dacă firul central este dezbrăcat prin strângere excesivă. Astfel, una găureste două găuri strâns distanțate în bază pentru fiecare qubit: una pentru a trece un filet de șurub 1 / 4-20, cealaltă pentru a trece conectorul cablului servo.

Deoarece lemnul de 3/4 "este cel mai frecvent, probabil că veți dori să-l folosiți pentru partea superioară a bazei - așa cum am făcut-o. În acest caz, veți avea nevoie de un șurub 1 / 4-20 sau un șurub de aproximativ 1,25" lung. Le puteți cumpăra de la orice magazin de hardware la un cost de aproximativ 1 USD pentru șase. Alternativ, le puteți imprima 3D … dar vă recomand să le imprimați pe rând, dacă le imprimați, deoarece aceasta minimizează defectele filetului subțire.

Evident, dimensiunile suportului nu sunt critice, dar vor determina lungimile cablurilor prelungitoare de care veți avea nevoie. KREQC a fost realizat ca două rânduri de trei qubits în primul rând, astfel încât suportul să încapă într-o valiză de mână, așa cum am adus-o la expoziția noastră de cercetare IEEE / ACM SC18.

Pasul 9: marcați-l

Ca ultim pas, nu uitați să etichetați computerul cuantic!

Am imprimat 3D o plăcuță de identificare în negru pe aur, care apoi a fost fixată pe fața de lemn a bazei. Simțiți-vă liber să o etichetați prin alte mijloace, cum ar fi imprimarea 2D a imaginii plăcuței PDF atașate cu o imprimantă laser sau cu jet de cerneală. De asemenea, nu ar strica să etichetezi fiecare qubit cu poziția sa, mai ales dacă devii prea creativ cu privire la modul în care aranjezi qubiturile pe bază.

S-ar putea să vă bucurați, de asemenea, să distribuiți brelocuri qubit imprimate 3D; nu sunt încurcați și nici nu sunt motorizați, dar se învârt în mod liber atunci când suflați asupra lor și faceți un memento excelent pentru a lua acasă o demonstrație KREQC.