KREQC: Kentucky rotációsan emulált kvantumszámítógépe: 9 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Ezt nevezzük "pataknak" - betűzött KREQC: Kentucky rotációsan emulált kvantumszámítógépe. Igen, ez az oktatóanyag megmutatja, hogyan készítsen saját, működő kvantumszámítógépet, amely megbízhatóan működik szobahőmérsékleten, körülbelül 1/2 másodperces ciklusidővel. Az építés teljes költsége 50-100 dollár.

A második képen látható IBM Q kvantumszámítógéppel ellentétben a KREQC nem közvetlenül használ kvantumfizikai jelenségeket a teljesen összefonódott qubitek megvalósításához. Nos, azt hiszem, vitatkozhatnánk azzal, hogy minden kvantumfizikát használ, de valójában csak hagyományosan vezérelt szervók hajtják végre Einstein "kísérteties akcióját távolról" a KREQC-ben. Másrészt ezek a szervók lehetővé teszik a KREQC számára, hogy meglehetősen jól emulálja a viselkedést, így a művelet könnyen látható és magyarázható. Apropó magyarázatok….

1. lépés: Mi az a kvantumszámítógép?

Mielőtt magyarázatot adnánk, itt van egy link az IBM Q Experience dokumentációjából. Most lövöldözünk….

Kétségtelen, hogy egy kicsit többet hallott (szójáték célja) arról, hogy a qubitek mágikus számítási képességeket ajándékoznak a kvantumszámítógépeken. Az alapötlet az, hogy míg egy közönséges bit lehet 0 vagy 1, a qubit lehet 0, 1 vagy határozatlan. Önmagában ez nem tűnik különösebben hasznosnak - és csak egy qubit esetén nem az -, de a több kusza qubit rendelkezik azzal a meglehetősen hasznos tulajdonsággal, hogy meghatározatlan értékeik egyidejűleg lefedik a bitértékek összes lehetséges kombinációját. Például 6 bit bármely értéke 0 és 63 között lehet (azaz 2^6), míg 6 bitnek lehet egy határozatlan értéke, amely minden 0 és 63 közötti érték, és minden lehetséges értékhez potenciálisan eltérő valószínűséggel tartozik. Amikor egy qubit értékét leolvassuk, annak és az összes vele összefonódó qubit értékei meghatározásra kerülnek, és az egyes qubit -ekhez tartozó egyedi értéket véletlenszerűen választják ki a valószínűségeknek megfelelően; ha a határozatlan érték 75% 42 és 25% 0, akkor a kvantumszámítás minden negyedik alkalmából körülbelül 3 -ból az eredmény 42 lesz, máskor pedig 0. A legfontosabb, hogy a kvantumszámítás értékelje minden lehetséges értéket, és visszaad egy (potenciálisan több) érvényes választ, és exponenciálisan sok értéket próbál ki egyszerre - és ez az izgalmas rész. 64 6 bites rendszerre lenne szükség ahhoz, amit egy 6 kvites rendszer képes.

A KREQC 6 teljesen összefonódó qubitje mindegyikének forgási értéke 0, 1 vagy határozatlan lehet. Az egyenlőtlen, határozatlan értéket az jelenti, hogy az összes qubit vízszintes helyzetben van. A kvantumszámítás előrehaladtával változnak a különböző értékek valószínűségei - a KREQC -ben az egyes qubitek ingadoznak, és az értékek valószínűségét tükröző statisztikai pozíciókat feltételeznek. Végül a kvantumszámítást a kusza qubitek mérésével fejezik be, ami a meghatározatlan értéket egy teljesen meghatározott 0s és 1s szekvenciává omolja össze. A fenti videóban láthatod, hogy a KREQC kiszámítja a "választ az élet, a világegyetem és minden végső kérdésre" - más szóval: 42… ami binárisan 101010, 101 a hátsó qubit sorban és 010 in az eleje.

Természetesen vannak problémák a kvantumszámítógépekkel, és a KREQC is szenved ezekkel. Nyilvánvaló, hogy valóban több millió qubitet akarunk, nem csak 6 -at. Azonban azt is fontos megjegyezni, hogy a kvantumszámítógépek csak kombinatorikus logikát valósítanak meg - szemben azzal, amit mi, számítógép -mérnökök állapotgépnek nevezünk. Alapvetően ez azt jelenti, hogy a kvantumgép önmagában kevésbé képes, mint egy Turing -gép vagy egy hagyományos számítógép. A KREQC esetében az állapotgépeket úgy valósítjuk meg, hogy a KREQC-t egy hagyományos számítógéppel vezéreljük kvantumszámítási sorozat végrehajtásához, állapotállapot-végrehajtásonként egyet.

Tehát építsünk egy szobahőmérsékletű kvantumszámítógépet!

2. lépés: Eszközök, alkatrészek és anyagok

A KREQC nem sok mindent tartalmaz, de szüksége lesz néhány alkatrészre és eszközre. Kezdjük az eszközökkel:

• Hozzáférés a fogyasztói minőségű 3D nyomtatóhoz. Lehetséges lenne a KREQC qubitjeinek elkészítése CNC marógéppel és fával, de sokkal egyszerűbb és kifinomultabb PLA műanyag extrudálásával. A legnagyobb 3D-nyomtatott rész 180x195x34 mm, így a dolgok sokkal könnyebbek, ha a nyomtató elég nagy nyomtatási térfogattal rendelkezik ahhoz, hogy ezt egy darabban kinyomtassa.
• Forrasztópáka. PLA alkatrészek hegesztésére használható.
• Drótvágók vagy valami más, amellyel apró, 1 mm vastag műanyag részeket (szervoszarvakat) lehet vágni.
• Opcionálisan famegmunkáló szerszámok fából készült alap készítéséhez a qubitek rögzítéséhez. Bázisra nincs feltétlenül szükség, mert minden bitnek van egy beépített állványa, amely lehetővé tenné a vezérlőkábel kifelé vezetését.

Nem kell sok alkatrész és anyag sem:

• PLA a qubitek elkészítéséhez. Ha 100% -os kitöltéssel nyomtatja, akkor is kevesebb, mint 700 gramm PLA / qubit; ésszerűbb 25% -os töltetnél 300 gramm jobb becslés lenne. Így 6 qubit készíthető egyetlen 2 kg -os orsóval, körülbelül 15 dollár anyagköltséggel.
• Egy SG90 mikroszervó / qubit. Ezek könnyen kaphatók 2 dollár alatt. Ügyeljen arra, hogy olyan mikro szervókat kapjon, amelyek 180 fokos pozícionálási műveletet írnak elő-nem szeretne 90 fokosakat, és nem olyanokat sem, amelyek változó sebességű folyamatos forgáshoz készültek.
• Szervo vezérlőkártya. Számos lehetőség közül választhat, beleértve az Arduino használatát is, de nagyon egyszerű választás a Pololu Micro Maestro 6 csatornás USB szervovezérlő, amelynek ára 20 dollár alatt van. Vannak más verziók is, amelyek 12, 18 vagy 24 csatornát tudnak kezelni.
• Szükség esetén hosszabbító kábelek az SG90 -esekhez. Az SG90 -es kábelek hossza kissé eltér, de a qubiteket legalább körülbelül 6 hüvelyk távolságra kell elválasztani egymástól, ezért hosszabbító kábelekre lesz szükség. Hosszuktól függően ezek egyenként 0,50 dollár alatt vannak.
• 5 V -os tápegység a Pololu és az SG90 típusokhoz. Általában a Pololu tápellátása USB -kapcsolaton keresztül történik egy laptophoz, de bölcs dolog lehet külön tápegységet biztosítani a szervók számára. 5V 2.5A fali szemölcsöt használtam, de kb.
• Opcionálisan kétoldalas szalag a dolgok összetartásához. A VHB (Very-High Bond) szalag jól működik, hogy minden egyes qubit külső héját összefogja, bár a hegesztés még jobban működik, ha soha nem kell szétszedni.
• Opcionálisan fa és befejező kellékek az alap elkészítéséhez. A miénk bolti hulladékból készült, és kekszcsuklók tartják össze, több réteg átlátszó poliuretánnal.

Mindent összevetve, az általunk épített 6 qubit KREQC körülbelül 50 dollárba került.

3. lépés: 3D nyomtatott alkatrészek: a belső rész

Az összes 3D-nyomtatott alkatrészterv szabadon elérhető Thing 3225678 néven a Thingiverse-nél. Menjen, és szerezze be a példányát, várunk…

Ah, ilyen hamar vissza? Rendben. A qubit tényleges "bitje" egy egyszerű rész, amelyet két darabban nyomtatnak ki, mert könnyebb két darab összehegesztése, mint támaszok használatával kiemelt betűket nyomtatni az egyik rész mindkét oldalán.

Azt javaslom, hogy ezt olyan színűre nyomtatja, amely ellentétes a qubit külső részével - például fekete. A mi változatunkban a felső 0,5 mm -t fehérre nyomtuk, hogy kontrasztot nyújtsunk, de ehhez izzószálat kellett cserélni. Ha inkább ezt nem teszi meg, akkor mindig csak az "1" és a "0" kiemelt felületeit festheti le. Mindkét rész fesztávok nélkül, tehát támaszok nélkül nyomtat. 25% kitöltést és 0,25 mm extrudálási magasságot használtunk.

4. lépés: 3D nyomtatott alkatrészek: a külső rész

Az egyes qubitek külső része egy kicsit trükkösebb nyomtatás. Először is, ezek a darabok nagyok és laposak, ezért sokat kell őket kiemelni a nyomtatóágyból. Általában forró üvegre nyomtatok, de ezekhez szükség volt a forró kék festő szalagra történő nyomtatás extra rúdjára, hogy elkerülje a deformálódást. A 25% -os kitöltésnek és a 0,25 mm rétegmagasságnak is többnek kell lennie.

Ezeknek a részeknek is átfutása van. A szervót tartó üreg mindkét oldalán fesztávolságú, és elengedhetetlen, hogy ennek az üregnek a méretei helyesek legyenek - ezért támogatottan kell nyomtatni. A kábelvezetési csatorna csak a vastagabb hátsó oldalon található, és úgy van kialakítva, hogy elkerülje az átfedéseket, kivéve egy kisebb részt a tövében. Az alap belseje mindkét darabon technikailag nem támogatott fesztávolságú az alap belső görbéjéhez képest, de nem mindegy, hogy a nyomatnak ez a része kissé leesik, így nincs szüksége támogatásra.

Ismét, a színválasztás, amely ellentétes a belső részekkel, láthatóbbá teszi a qubitek "Q" -ját. Bár az elejét az "AGGREGATE. ORG" és az "UKY. EDU" részekkel fehér PLA-val nyomtattuk a kék PLA alapon, tetszetősnek találhatja az alacsonyabb kontrasztú megjelenést. Nagyra értékeljük, hogy ott hagyta őket, hogy emlékeztesse a nézőket, honnan származik a design, de nem kell vizuálisan kiabálni ezeket az URL -eket.

Miután kinyomtatta ezeket az alkatrészeket, távolítson el minden hordozóanyagot, és győződjön meg arról, hogy a szervó illeszkedik a két darabhoz. Ha nem illeszkedik, folytassa a hordozóanyag kiválasztását. Elég szoros illeszkedés, de lehetővé kell tennie, hogy mindkét fél egymáshoz simuljon. Vegye figyelembe, hogy szándékosan nincsenek igazítási struktúrák a nyomaton, mert még enyhe deformáció is megakadályozná az összeszerelést.

5. lépés: Szerelje össze a belső részt

Fogja meg a két belső részt, és igazítsa egymáshoz úgy, hogy az "1" bal oldalán lévő hegyes csuklóvonal egy vonalba essen a "0" hegyes csuklójával. Ha szükséges, ideiglenesen kétoldalas szalaggal is összetarthatja őket, de a lényeg az, hogy forró forrasztópáka segítségével hegesztjük össze őket.

Elegendő hegeszteni ott, ahol a szélek összeérnek. Ezt először ragasztóhegesztéssel végezze, forrasztópáka segítségével húzza össze a PLA -t a két darab peremén, több helyen. Miután az alkatrészeket összeragasztotta, futtassa a forrasztópácot a varrat körül, hogy állandó hegesztést hozzon létre. A két darabnak a fenti képen látható részből kell állnia.

A hegesztett alkatrész illeszkedését a hátsó külső részbe helyezve ellenőrizheti. Enyhén meg kell döntenie, hogy a hegyes csukló az oldalra kerüljön, amelyen nincs szervoüreg, de miután bejutott, szabadon kell forognia.

6. lépés: Irányítsa a szervót és állítsa be a kürtöt

Ahhoz, hogy ez működjön, ismert közvetlen egyezésre van szükségünk a szervo vezérlés és a szervó forgási helyzete között. Minden szervónak van minimális és maximális impulzusszélessége, amelyre reagálni fog. Ezeket empirikusan kell felfedezni a szervóknál, mert számítunk a teljes 180 fokos elmozdulásra, és a különböző gyártók kissé eltérő értékű SG90-eseket gyártanak (valójában ezek mérete is kissé eltérő, de elég közel kell lenniük a illeszkedjen a megengedett helyre). Nevezzük a legrövidebb impulzusszélességet "0" -nak és a leghosszabbat "1" -nek.

Fogja meg a szervóhoz kapott szarvak egyikét, és vágja le róla a szárnyakat drótvágókkal vagy más megfelelő eszközzel - a fenti képen látható módon. A szervó nagyon finom fokozatát nagyon nehéz 3D-ben nyomtatni, ezért ehelyett az egyik szervókürt közepét használjuk. Tegye a kivágott szervo kürtöt az egyik szervóra. Most csatlakoztassa a szervót, állítsa "1" állásba, és hagyja ebben a helyzetben.

Valószínűleg észrevette, hogy a nem hegyes forgócsap hengeres üreggel rendelkezik, amely nagyjából megegyezik a szervó fogaskerék fejével-és valamivel kisebb, mint a vágott kürt közepének átmérője. Fogja meg a forró forrasztópácot, és óvatosan forgassa el a forgócsap furatán belül, valamint a vágott kürt közepén kívül; te sem olvadni próbálsz, hanem csak azért, hogy puhák legyenek. Ezután a szervót tartva nyomja be a kürt közepét egyenesen a forgócsap furatába úgy, hogy a szervó legyen az "1" helyzetben - a belső rész az "1" -et mutassa, amikor a szervó úgy van elhelyezve, mint amikor a külső hátsó rész üregében nyugszik.

Látnia kell, hogy a PLA kissé felhajlik, miközben benyomja a vágott kürtöt, és nagyon szilárd kapcsolatot teremt a kürttel. Hagyja kicsit hűlni a kötést, majd húzza ki a szervót. A kürtnek most kellően jól össze kell kötnie az alkatrészt, hogy a szervó szabadon forgassa az alkatrészt jelentős játék nélkül.

7. lépés: Szerelje össze az egyes Qubitokat

Most már készen áll a qubitek felépítésére. Helyezze a külső hátsó részt egy sima felületre (pl. Asztalra) úgy, hogy a szervo ürege felfelé nézzen, és az állvány a felület szélén lógjon, így a külső hátsó rész laposan ül. Most vegye a szervót és a belső részt a szarvhoz, és helyezze be a hátsó külső részbe. Nyomja a kábelt a szervóból a hozzá tartozó csatornába.

Miután minden síkban ül, helyezze az elülső külső részt a szerelvényre. Csatlakoztassa a szervót, és működtesse a szerelvényt egyben tartva, hogy megbizonyosodjon arról, hogy semmi nem köt össze vagy nincs igazítva. Most vagy VHB szalagot használjon, vagy forrasztópáka segítségével hegesztje össze a külső elülső és hátsó részeket.

Ismételje meg ezeket a lépéseket minden qubit esetében.

8. lépés: Szerelés

Minden egyes qubit kis alapjának hátulján van egy vágás, amely lehetővé teszi, hogy a szervokábelt kifelé húzza, hogy csatlakozzon a vezérlőhöz, és az alap elég széles ahhoz, hogy minden qubit önmagában stabil legyen, így egyszerűen hosszabbító kábeleket minden szervóra, és futtassa szét az asztalon vagy más sík felületen. Ez azonban megmutatja az őket összekötő vezetékeket….

Úgy érzem, hogy a vezetékek látása tönkreteszi a kísérteties cselekvés illúzióját távolról, ezért inkább teljesen elrejtem a vezetékeket. Ehhez csak egy szerelőplatformra van szükségünk, amelynek minden egyes qubit alatt lyuk van, amely elég nagy ahhoz, hogy a szervokábel csatlakozója áthaladjon. Természetesen szeretnénk, ha minden qubit maradna a helyén, így három 1/4-20 megcsapolt lyuk van az alapban. A szándék az, hogy a középsőt használjuk, de a többi felhasználható a dolgok biztonságosabbá tételére, vagy ha a központi szálat túlfeszítéssel lecsupaszítják. Így az egyik fúrja két szorosan elhelyezett lyukat az alapba minden egyes qubithoz: az egyik 1/4-20 csavarmenetet, a másik a szervokábel csatlakozóját.

Mivel a 3/4 "-os fa a leggyakoribb, valószínűleg az alap tetejére szeretné használni-ahogy én is. Ebben az esetben szüksége lesz 1/4-20 csavarra vagy csavarra, körülbelül 1,25" hosszú. Bármelyik boltban megvásárolhatja őket, körülbelül 1 dollárért hatért. Alternatívaként 3D-ben is kinyomtathatja őket … de azt javaslom, hogy egyenként nyomtassa ki őket, ha kinyomtatja őket, mert ez minimálisra csökkenti a finom csavarmenet menetét.

Nyilvánvaló, hogy a tartó méretei nem kritikusak, de meghatározzák a szükséges hosszabbítókábelek hosszát. A KREQC-t két sorban, három qubitből készítették, elsősorban azért, hogy a tartó elférjen egy kézipoggyászban, így hoztuk el az IEEE/ACM SC18 kutatási kiállításunkra.

9. lépés: Márkajelzés

Utolsó lépésként ne felejtse el címkézni kvantumszámítógépét!

3D-n kinyomtattunk egy fekete-fehér névtáblát aranyra, amelyet aztán az alap fa elejére rögzítettünk. Nyugodtan címkézze a sajátját más eszközökkel, például a mellékelt PDF adattábla képének 2D nyomtatásával lézer- vagy tintasugaras nyomtatóval. Az sem ártana, ha minden qubit -et a pozíciójával címkézne meg, különösen, ha túl kreatív lesz abban, hogyan rendezi el a qubiteket az alapon.

Szívesen osztogatna 3D nyomtatott qubit kulcstartókat is; nem kuszaak, és nem motorizáltak, de szabadon pörögnek, amikor rájuk fúj, és remek emlékeztetőként viszi haza a KREQC bemutatót.