KREQC: Kentuckyjevo rotacijsko emulirano kvantno računalo: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Zovemo ga "potok" - napisano KREQC: Kentuckyjevo rotacijsko emulirano kvantno računalo. Da, ovo uputstvo će vam pokazati kako napraviti vlastito radno kvantno računalo koje pouzdano radi na sobnoj temperaturi s minimalnim vremenom ciklusa od oko 1/2 sekunde. Ukupni troškovi izgradnje su 50-100 USD.

Za razliku od kvantnog računala IBM Q 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 servomotori implementiraju Einsteinovu "sablasnu akciju na daljinu" u KREQC-u. S druge strane, ti servomotori omogućuju KREQC -u da prilično dobro oponaša ponašanje, čineći rad lakim za vidjeti i objasniti. Kad smo već kod objašnjenja ….

Korak 1: Što je kvantno računalo?

Prije nego što damo objašnjenje, evo poveznice na lijepo objašnjenje iz dokumentacije IBM Q Experience. Sada ćemo pokušati …

Nema sumnje, čuli ste više od toga (namjera igre riječi) o tome kako kubiti poklanjaju čarobne računske sposobnosti kvantnim računalima. Osnovna ideja je da, dok običan bit može biti 0 ili 1, qubit može biti 0, 1 ili neodređen. Samo po sebi, to se ne čini osobito korisnim - a sa samo jednim kubitom nije - ali više zamršenih kubita ima prilično korisno svojstvo da njihove neodređene vrijednosti mogu istodobno pokriti sve moguće kombinacije bitovnih vrijednosti. Na primjer, 6 bitova može imati bilo koju jednu 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 vjerojatnošću pridruženom svakoj mogućoj vrijednosti. Kad se očita vrijednost kubita, utvrđuju se njegove vrijednosti i svi kubiti zapleteni s njime, pri čemu se pojedinačna vrijednost očitana za svaki kubit nasumično bira u skladu s vjerojatnostima; 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 istodobno - i to je uzbudljiv dio. Bilo bi potrebno 64 6-bitna sustava da učine ono što jedan 6-kubitni sustav može.

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

Naravno, postoje neki problemi s kvantnim računalima, a i KREQC ih trpi. Očigledan je jedan da doista želimo milijune kubita, a ne samo 6. Međutim, također je važno napomenuti da kvantna računala implementiraju samo kombinatornu logiku - za razliku od onoga što mi računalni inženjeri nazivamo strojem stanja. U osnovi, to znači da je kvantni stroj sam po sebi manje sposoban od Turingovog stroja ili konvencionalnog računala. U slučaju KREQC-a, implementiramo strojeve stanja kontrolirajući KREQC koristeći konvencionalno računalo za izvođenje niza kvantnih izračuna, po jedno po posjetu stanju u izvođenju državnog stroja.

Pa idemo izgraditi kvantno računalo 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 pisaču potrošačke kvalitete. 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 puno lakše ako pisač ima dovoljno velik volumen ispisa da se to može ispisati 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 niti materijala:

• PLA za izradu kubita. Ako bi se tiskalo sa 100% ispunjenosti, i dalje bi bilo manje od 700 grama PLA po kubitu; pri razumnijem punjenju od 25%, 300 grama bila bi bolja procjena. Tako se 6 kubita moglo napraviti pomoću samo jedne kaleme od 2 kg, uz materijalnu cijenu od oko 15 USD.
• Jedan SG90 mikro servo po kubitu. Oni su dostupni za manje od 2 USD svaki. Svakako nabavite mikro servosisteme koji određuju rad pozicioniranja od 180 stupnjeva-ne želite one od 90 stupnjeva 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 upravljač koji košta ispod 20 USD. Postoje i druge verzije koje mogu podnijeti 12, 18 ili 24 kanala.
• Produžni kabeli 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. Oni su lako ispod 0,50 USD svaki, ovisno o duljini.
• Napajanje od 5V za Pololu i SG90s. Obično se Pololu napaja putem USB veze s prijenosnim računalom, 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 (Very-High Bond) traka dobro drži kako bi spojila vanjsku ljusku svakog qubita 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 završnim slojem.

Sve u svemu, 6-qubit KREQC koji smo izgradili koštao je oko 50 USD zaliha.

Korak 3: 3D ispisani dijelovi: unutarnji dio

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

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

Preporučujem ispis u boji koja je u kontrastu s vanjskim dijelom kubita - na primjer crnom. U našoj verziji tiskali smo gornjih 0,5 mm u bijeloj boji kako bismo dali kontrast, ali to je zahtijevalo promjenu filamenta. Ako to ne želite 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 ispisani dijelovi: vanjski dio

Vanjski dio svakog qubita malo je složeniji ispis. Prvo, ti su komadi veliki i ravni, pa stoga podliježu velikom podizanju s ležišta za ispis. Obično ispisujem na vrućem staklu, ali to je zahtijevalo dodatni tisak na vruće plavoj slikarskoj traci kako bi se izbjeglo iskrivljavanje. Opet, 25% ispune i 0,25 mm visine sloja trebali bi biti više nego dovoljni.

I ovi dijelovi imaju raspone. Šupljina koja drži servo ima raspone s obje strane i važno je da dimenzije ove šupljine budu točne - pa je potrebno ispisivati 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 baze na oba komada tehnički ima nepodržani raspon za unutarnju krivulju baze, ali nije važno hoće li taj dio otiska malo popustiti, pa vam tamo ne treba podrška.

Ponovno, izbor boja koji je u kontrastu s unutarnjim 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 za vizualnim izvikivanjem ovih URL -ova.

Nakon što su ti dijelovi ispisani, uklonite sav potporni materijal i provjerite da li servo pristaje tako da se dva dijela drže zajedno. Ako se ne uklapa, nastavite s odabirom materijala za podršku. Prilično je usko pripijen, ali bi trebao dopustiti da se obje 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 unutarnji dio

Uzmite dva unutarnja dijela i poravnajte ih leđa prema leđima 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 ključno je da ih vrućim lemilicom zavarite zajedno.

Dovoljno je zavariti tamo gdje se rubovi spajaju. Učinite to tako da zavarivanjem najprije pričvrstite lemilicom kako biste PLA povukli 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, no jednom bi se trebao slobodno okretati.

Korak 6: Orijentirajte servo i postavite trubu

Da bi ovo funkcioniralo, moramo imati poznatu izravnu podudarnost između servo upravljanja 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 da stane unutar dopuštenog 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 prikladnog alata - kao što je prikazano na gornjoj fotografiji. Vrlo fini korak zupčanika na servu vrlo je težak za 3D ispis, pa ćemo umjesto toga upotrijebiti središte jednog od servo truba. Postavite obrezani servo trubu na jedan od servomotora. Sada priključite servo, postavite ga u položaj "1" i ostavite ga u tom položaju.

Vjerojatno ste primijetili da osovina bez šiljaka 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; ni ti se ne pokušavaš otopiti, već samo da omekšaš. Zatim, držeći servo, gurnite središte trube ravno u otvor na zakretnoj osovini 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 kad bi počivajući u šupljini u vanjskom stražnjem dijelu.

Trebali biste vidjeti kako se PLA malo presavija na sebi dok gurate podrezani rog unutra, 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 unutarnji dio pričvršćen trubom i umetnite ih u stražnji vanjski dio. Pritisnite kabel iz servo u kanal za njega.

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 koristite lemilicu za zavarivanje vanjske prednje i stražnje strane.

Ponovite ove korake za svaki kubit.

Korak 8: Montaža

Mala baza svakog qubita 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 qubit može biti stabilan sam po sebi, pa ga jednostavno možete staviti produžne kabele na svakom servo pogonu 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 u podnožju postoje tri rupe s 1/4-20 otvora. Namjera je koristiti središnju, ali ostale se mogu upotrijebiti kako bi stvari bile sigurnije ili ako se središnji konac ogoli prejakim zatezanjem. Dakle, jedan buši dvije blisko razmaknute rupe u podnožju za svaki qubit: jedan za prolaz vijka navoja 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 trgovini hardvera 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 napravljen kao dva reda od tri kubita prvenstveno kako bi nosač stao u ručni kovčeg, tako smo ga donijeli na našu izložbu istraživanja IEEE/ACM SC18.

Korak 9: Obilježite ga

Kao posljednji korak, ne zaboravite označiti svoje kvantno računalo!

Tiskali smo 3D pločicu s imenom u crnoj boji na zlatu, koja je zatim pričvršćena na drveni prednji dio baze. Slobodno označite svoje na druge načine, kao što je 2D ispis priložene slike PDF s natpisne ploče laserskim ili tintnim pisačem. Također ne bi škodilo označiti svaki qubit svojim položajem, pogotovo ako ste previše kreativni u pogledu načina na koji slažete qubite na bazi.

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