KREQC: Ротационно емулиран квантов компютър на Кентъки: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Ние го наричаме „рекичка“- изписана KREQC: Кентъки, ротационно емулиран квантов компютър. Да, тази инструкция ще ви покаже как да направите свой собствен работещ квантов компютър, който да работи надеждно при стайна температура с минимално време на цикъл от около 1/2 секунда. Общите разходи за изграждане са $ 50-$ 100.

За разлика от квантовия компютър IBM Q, показан на втората снимка, KREQC не използва директно явленията на квантовата физика, за да внедри своите напълно заплетени кубити. Е, предполагам, че бихме могли да спорим, че всичко използва квантова физика, но всъщност само конвенционално управляемите сервомотори прилагат „призрачното действие на Айнщайн на разстояние“в KREQC. От друга страна, тези сервомотори позволяват на KREQC да имитира поведението доста добре, което прави операцията лесна за разглеждане и обяснение. Говорейки за обяснения ….

Стъпка 1: Какво е квантов компютър?

Преди да дадем нашето обяснение, ето линк към хубаво обяснение от документацията на IBM Q Experience. Сега ще направим нашия изстрел …

Няма съмнение, че сте чували повече от малко (с каламбур) за това как кубитите даряват магически изчислителни способности на квантовите компютри. Основната идея е, че докато обикновеният бит може да бъде 0 или 1, кубитът може да бъде 0, 1 или неопределен. Само по себе си това не изглежда особено полезно - и само с един кубит не е така - но множество заплетени кубити имат доста полезно свойство, че техните неопределени стойности могат едновременно да обхващат всички възможни комбинации от битови стойности. Например, 6 бита могат да имат всяка една стойност от 0 до 63 (т.е. 2^6), докато 6 кубита могат да имат неопределена стойност, която е всички стойности от 0 до 63 с потенциално различна вероятност, свързана с всяка възможна стойност. Когато се отчита стойността на кубит, се определят стойностите на него и всички кубити, заплетени с него, като единичната стойност, прочетена за всеки кубит, се избира на случаен принцип в съответствие с вероятностите; ако неопределената стойност е 75% 42 и 25% 0, тогава приблизително 3 от всеки четири пъти се извършва квантовото изчисление, резултатът ще бъде 42, а другият път ще бъде 0. Ключовият момент е, че квантовото изчисление оценява всички възможни стойности и връща един (от потенциално множество) валидни отговори, опитвайки експоненциално много стойности едновременно - и това е вълнуващата част. Ще са необходими 64 6-битови системи, за да направят това, което една 6-кубитова система може да направи.

Всеки от 6-те напълно заплетени кубита на KREQC може да има ротационна стойност, която е 0, 1 или неопределена. Равновероятната неопределена стойност се представя от всички кубити, които са в хоризонтално положение. С напредването на квантовите изчисления вероятностите за различни стойности се променят - представени в KREQC от отделните кубити, които се клатят и приемат статистически позиции, отразяващи вероятностите на стойностите. В крайна сметка квантовото изчисление се прекратява чрез измерване на заплетените кубити, които сриват неопределената стойност в напълно определена последователност от 0s и 1s. Във видеото по -горе виждате KREQC, който изчислява „отговора на крайния въпрос за живота, Вселената и всичко“- с други думи, 42 … което в двоичен формат е 101010, със 101 в задния ред на кубита и 010 в предната.

Разбира се, има някои проблеми с квантовите компютри и KREQC също ги страда. Очевидно е, че ние наистина искаме милиони кубити, а не само 6. Въпреки това е важно също да се отбележи, че квантовите компютри прилагат само комбинативна логика - за разлика от това, което ние, компютърните инженери, наричаме машина на състоянието. По принцип това означава, че квантовата машина сама по себе си е по -малко способна от машина на Тюринг или конвенционален компютър. В случая на KREQC, ние прилагаме състоятелни машини, като контролираме KREQC, използвайки конвенционален компютър, за да извършим поредица от квантови изчисления, по едно на посещение на състояние при изпълнението на машината на състоянието.

Така че, нека да създадем квантов компютър със стайна температура!

Стъпка 2: Инструменти, части и материали

KREQC няма много, но ще ви трябват някои части и инструменти. Нека започнем с инструментите:

• Достъп до потребителски 3D принтер. Би било възможно да се направят кубитите на KREQC с помощта на фреза с ЦПУ и дърво, но е много по -лесно и по -добре да ги направите чрез екструдиране на PLA пластмаса. Най-голямата 3D отпечатана част е 180x195x34 мм, така че нещата са много по-лесни, ако принтерът има достатъчно голям обем на печат, за да отпечата това в едно парче.
• Поялник. Да се използва за заваряване на части от PLA.
• Резачки за тел или нещо друго, което може да реже малки пластмасови части с дебелина 1 мм (серво рогата).
• По избор, дървообработващи инструменти за изработка на дървена основа за монтиране на кубитите. Базата не е строго необходима, тъй като всеки бит има вградена стойка, която би позволила на контролен кабел да прокара гърба.

Не се нуждаете и от много части или материали:

• PLA за създаване на кубити. Ако се отпечата със 100% запълване, това ще бъде по -малко от 700 грама PLA на кубит; при по -разумно запълване от 25% 300 грама биха били по -добра оценка. По този начин 6 кубита могат да бъдат направени, като се използва само една макара от 2 кг, на материални разходи от около 15 долара.
• Едно SG90 микро серво на кубит. Те са лесно достъпни за по -малко от $ 2 всеки. Не забравяйте да получите микро серво серво, които определят 180-градусова операция за позициониране-не искате 90-градусови, нито пък такива, предназначени за непрекъснато въртене с променлива скорост.
• Платка за серво контролер. Има много възможности за избор, включително използването на Arduino, но много лесен избор е 6-каналният USB серво контролер Pololu Micro Maestro, който струва под 20 долара. Има и други версии, които могат да обработват 12, 18 или 24 канала.
• Удължителни кабели за SG90s, ако е необходимо. Кабелите на SG90s варират донякъде по дължина, но ще ви трябват кубити, които да бъдат разделени с минимум около 6 инча, така че ще са необходими удължителни кабели. Те лесно са под $ 0.50 всеки, в зависимост от дължината.
• 5V захранване за Pololu и SG90s. Обикновено Pololu се захранва чрез USB връзка към лаптоп, но може да е разумно да имате отделно захранване за сервомоторите. Използвах 5V 2.5A стенна брадавица, която имах наоколо, но нови 3A могат да бъдат закупени за по -малко от $ 5.
• По желание, двустранна лента, за да държи нещата заедно. VHB (Много висока връзка) лента работи добре, за да държи външната обвивка на всеки кубит заедно, въпреки че заваряването работи дори по-добре, ако никога не се налага да го разглобявате.
• По желание дърво и довършителни материали за направата на основата. Нашият е направен от скрап от магазини и се държи заедно от бисквити, с няколко слоя прозрачен полиуретан като краен финал.

Всичко казано, 6-кубитовият KREQC, който построихме, струваше около 50 долара за доставки.

Стъпка 3: 3D-отпечатани части: Вътрешната част

Всички проекти на 3D отпечатани части са свободно достъпни като Thing 3225678 в Thingiverse. Вземете вашето копие сега… ще изчакаме….

Ах, толкова скоро обратно? Добре. Действителният "бит" в кубита е проста част, която е отпечатана на две части, защото е по -лесно да се справите със заваряването на две парчета заедно, отколкото да използвате подпори за отпечатване на повдигнати букви от двете страни на едната част.

Препоръчвам да отпечатате това в цвят, който контрастира с външната част на кубита - черен, например. В нашата версия ние отпечатваме горните 0,5 мм в бяло, за да дадем контраст, но това изисква смяна на нишката. Ако предпочитате да не правите това, винаги можете просто да нарисувате повдигнатите повърхности на "1" и "0." И двете части се отпечатват без разстояния и следователно без опори. Използвахме 25% пълнене и 0,25 мм височина на екструдиране.

Стъпка 4: 3D-отпечатани части: Външната част

Външната част на всеки кубит е малко по -сложен отпечатък. Първо, тези парчета са големи и плоски, поради което подлежат на много повдигане от печатното легло. Обикновено отпечатвам върху горещо стъкло, но това изискваше допълнителен печат върху горещо синя лента на художника, за да се избегне изкривяването. Отново 25% запълване и 0,25 мм височина на слоя трябва да са повече от достатъчни.

Тези части също имат разстояния. Кухината, която държи серво, има разстояния от двете страни и е от решаващо значение размерите на тази кухина да бъдат правилни - така че трябва да се отпечата с поддръжка. Каналът за прокарване на кабели е само от по -дебелата задна страна и е конструиран така, че да избягва всякакви разстояния, с изключение на незначителен бит в самата основа. Вътрешността на основата на двете части технически има неподдържан участък за вътрешната крива на основата, но няма значение дали тази част от отпечатъка е леко увиснала, така че не се нуждаете от поддръжка там.

Отново, избор на цвят, който контрастира с вътрешните части, ще направи "Q" на кубитите по -видими. Въпреки че отпечатвахме предната част с частите „AGGREGATE. ORG“и „UKY. EDU“в бял PLA върху синия фон на PLA, може да откриете, че по-ниският контраст на цвета на тялото им е по-привлекателен. Оценяваме, че ги оставяте там, за да напомните на зрителите откъде идва дизайнът, но няма нужда визуално да извиквате тези URL адреси.

След като тези части бъдат отпечатани, отстранете всякакъв поддържащ материал и се уверете, че сервоприемникът пасва с двете части, държани заедно. Ако не е подходящ, продължете да избирате поддържащия материал. Това е доста плътно прилягане, но трябва да позволи двете половини да бъдат избутани заедно. Забележете, че умишлено няма структури за подравняване в отпечатъка, защото дори леко изкривяване би ги накарало да попречат на сглобяването.

Стъпка 5: Сглобете вътрешната част

Вземете двете вътрешни части и ги подравнете така, че заостреното завъртане отляво на "1" да се изравнява с острието на "0". Можете временно да ги държите заедно с двустранна лента, ако желаете, но ключът е да използвате горещ поялник, за да ги заварявате заедно.

Достатъчно е да заварявате там, където ръбовете се сближават. Направете това, като първо закрепите заваряването, като използвате поялника, за да плъзнете PLA заедно през ръба между двете части на няколко места. След като частите са залепени заедно, пуснете поялника около шева, за да създадете постоянна заварка. Двете парчета трябва да съставят частта, показана на изображението по -горе.

Можете да проверите прилягането на тази заварена част, като я поставите в задната външна част. Ще трябва да го наклоните леко, за да поставите заостреното завъртане в страната, която няма серво кухината, но след като влезе, тя трябва да се върти свободно.

Стъпка 6: Насочете Servo и настройте клаксона

За да работи това, трябва да имаме известно пряко съответствие между сервоуправлението и позицията на въртене на серво. Всяко серво има минимална и максимална ширина на импулса, на която ще реагира. Ще трябва да откриете това емпирично за вашите сервомотори, защото ние разчитаме на пълното движение на 180 градуса и различните производители произвеждат SG90 с малко различни стойности (всъщност те също имат малко по-различни размери, но те трябва да са достатъчно близки до в рамките на разрешеното пространство). Нека наречем най -късата ширина на импулса "0" и най -дългата "1".

Вземете един от клаксоните, доставен със вашето серво, и отрежете крилата от него с помощта на ножове за тел или друг подходящ инструмент - както се вижда на снимката по -горе. Много фината стъпка на предавката на сервото е много трудна за 3D-печат, така че вместо това ще използваме центъра на един от серво клаксоните за това. Поставете подрязания серво клаксон на един от сервомоторите. Сега включете серво, поставете го в положение "1" и го оставете в това положение.

Вероятно сте забелязали, че неточковият шарнир има цилиндрична кухина в него, която е приблизително с размерите на зъбната глава на вашето серво-и малко по-малка от диаметъра на подрязания ви център на клаксона. Вземете горещия поялник и внимателно го завъртете вътре в отвора в шарнира, а също и около външната страна на подрязания център на клаксона; вие също не се опитвате да се разтопите, а просто да ги омекотите. След това, като държите серво, натиснете центъра на клаксона направо в отвора в шарнира със серво в позицията "1" - с вътрешната част, показваща "1", когато серво е позиционирано така, както би било, когато почива в кухината във външната задна част.

Трябва да видите PLA да се сгъва малко върху себе си, докато натискате подрязания рог, създавайки много здрава връзка с клаксона. Оставете връзката да се охлади малко и след това издърпайте серво. Клаксонът сега трябва да свърже детайла достатъчно добре, така че сервото да може свободно да завърти частта без значително свирене.

Стъпка 7: Сглобете всеки Qubit

Сега сте готови да изградите кубитите. Поставете външната задна част върху равна повърхност (например маса), така че серво кухината да е обърната нагоре и стойката да виси над ръба на повърхността, така че външната задна част да е плоска. Сега вземете серво и вътрешната част, прикрепени към клаксона и ги поставете в задната външна част. Натиснете кабела от серво в канала за него.

След като всичко, което седи, се изравнява, поставете предната външна част върху монтажа. Свържете сервото и го работете, докато държите сглобката заедно, за да сте сигурни, че нищо не свързва или не е подравнено. Сега или използвайте VHB лента или използвайте поялник за заваряване на външната предна и задна част заедно.

Повторете тези стъпки за всеки кубит.

Стъпка 8: Монтаж

Малката основа на всеки кубит има разрез на гърба, който би ви позволил да изведете серво кабела отзад, за да се свържете с вашия контролер, а основата е достатъчно широка, за да може всеки кубит да бъде стабилен сам по себе си, така че можете просто да поставите удължителни кабели на всяко серво и ги разпръснете по маса или друга равна повърхност. Това обаче ще покаже кабелите, които ги свързват …

Чувствам, че виждането на проводници разрушава илюзията за призрачно действие от разстояние, така че предпочитам да скрия кабелите напълно. За да направим това, всичко, от което се нуждаем, е монтажна платформа с отвор под всеки qubit, който е достатъчно голям, за да може да премине конектора на серво кабела. Разбира се, бихме искали всеки кубит да остане там, където е поставен, така че в основата има три 1/4-20 нарязани дупки. Намерението е да се използва централната, но останалите могат да се използват, за да се направят нещата по -сигурни или ако централната нишка се оголи от прекалено затягане. По този начин, един пробива два близко разположени отвора в основата за всеки qubit: един за преминаване на 1/4-20 винтова резба, другият за преминаване на конектора на серво кабела.

Тъй като 3/4 "дървото е най-често срещаното, вероятно ще искате да го използвате за горната част на основата-както направих аз. В този случай ще ви е необходим 1/4-20 винт или болт приблизително 1,25" дълго. Можете да ги купите във всеки магазин за хардуер на цена от около $ 1 за шест. Като алтернатива можете да ги отпечатате 3D … но препоръчвам да ги отпечатате един по един, ако ги отпечатате, защото това свежда до минимум дефектите в фината резба на винта.

Очевидно размерите на стойката не са критични, но те ще определят дължините на удължителните кабели, от които се нуждаете. KREQC беше направен като два реда от три кубита предимно, така че стойката да се побере в куфар за пренасяне, така го донесохме на нашата изложбена изложба IEEE/ACM SC18.

Стъпка 9: Маркирайте го

Като последна стъпка, не забравяйте да маркирате вашия квантов компютър!

Ние отпечатахме 3D табелка в черно върху злато, която след това беше фиксирана към дървената предна част на основата. Чувствайте се свободни да маркирате вашите с други средства, като например 2D отпечатване на приложеното изображение на табелката в PDF с лазерен или мастилено-струен принтер. Също така няма да ви навреди да маркирате всеки кубит с неговата позиция, особено ако проявите твърде креативност относно начина, по който подреждате кубитите в основата.

Можете също така да се насладите на раздаването на 3D отпечатани ключодържатели от кубит; те не са заплетени, нито са моторизирани, но се въртят свободно, когато духате върху тях и правят чудесно напомняне за демонстрация на KREQC.