KREQC: Rotačný emulovaný kvantový počítač v Kentucky: 9 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Hovoríme tomu „potok“- hláskovaný KREQC: Kentucky's Rotationally Emulated Quantum Computer. Áno, tento návod vám ukáže, ako si vytvoriť vlastný pracovný kvantový počítač, ktorý spoľahlivo pracuje pri izbovej teplote s minimálnym časom cyklu asi 1/2 sekundy. Celkové náklady na stavbu sú 50-100 dolárov.

Na rozdiel od kvantového počítača IBM Q zobrazeného na druhej fotografii, KREQC priamo nepoužíva na implementáciu svojich plne zamotaných qubits javy kvantovej fyziky. Myslím, že by sme mohli tvrdiť, že všetko používa kvantovú fyziku, ale skutočne sú to len konvenčne riadené serva, ktoré implementujú Einsteinovu „strašidelnú akciu na diaľku“v KREQC. Na druhej strane tieto serva umožňujú KREQC emulovať správanie pomerne dobre, čo uľahčuje videnie a vysvetlenie operácie. Keď už hovoríme o vysvetleniach …

Krok 1: Čo je to kvantový počítač?

Predtým, ako poskytneme naše vysvetlenie, tu je odkaz na pekné vysvetlenie z dokumentácie IBM Q Experience. Teraz urobíme záber….

O tom, ako qubits prepožičiava magické výpočtové schopnosti kvantovým počítačom, ste už bezpochyby počuli (a to je slovná hračka). Základná myšlienka je, že zatiaľ čo obyčajný bit môže byť buď 0 alebo 1, qubit môže byť 0, 1 alebo neurčitý. Samo osebe sa to nezdá byť obzvlášť užitočné - a iba s jedným qubitom to nie je - ale viacero prepletených qubitov má pomerne užitočnú vlastnosť, že ich neurčité hodnoty môžu súčasne pokrývať všetky možné kombinácie bitových hodnôt. Napríklad 6 bitov môže mať jednu hodnotu od 0 do 63 (t.j. 2^6), zatiaľ čo 6 qubitov môže mať neurčitú hodnotu, čo sú všetky hodnoty od 0 do 63 s potenciálne odlišnou pravdepodobnosťou spojenou s každou možnou hodnotou. Keď je prečítaná hodnota qubitu, stanú sa jeho hodnoty a všetky qubity, ktoré sú s ním spojené, pričom jednotlivá hodnota načítaná pre každý qubit je náhodne vybraná v súlade s pravdepodobnosťami; ak je neurčitá hodnota 75% 42 a 25% 0, potom približne 3 z každých štyroch vykonaní kvantového výpočtu bude výsledok 42 a inokedy bude 0. Kľúčovým bodom je, že kvantový výpočet vyhodnotí všetky možné hodnoty a vráti jednu (potenciálne viac) platných odpovedí, pričom exponenciálne vyskúša mnoho hodnôt súčasne - a to je vzrušujúca časť. Na to, čo dokáže jeden 6-qubitový systém, by bolo potrebných 64 6-bitových systémov.

Každý zo 6 plne zapletených qubitov KREQC môže mať rotačnú hodnotu 0, 1 alebo neurčitú. Rovnomerná neurčitá hodnota je reprezentovaná všetkými qubitmi, ktoré sú v horizontálnej polohe. Ako kvantový výpočet pokračuje, pravdepodobnosti rôznych hodnôt sa menia - v KREQC sú reprezentované kmitaním jednotlivých qubitov a preberaním štatistických polôh odrážajúcich pravdepodobnosti hodnôt. Nakoniec je kvantový výpočet ukončený meraním zapletených qubitov, ktoré zbalí neurčitú hodnotu do úplne určenej sekvencie 0 s a 1 s. Vo vyššie uvedenom videu vidíte, ako KREQC vypočítava „odpoveď na konečnú otázku života, vesmíru a všetkého“- inými slovami 42 … čo je v binárnom čísle 101010, 101 v zadnom rade qubits a 010 v predná časť.

S kvantovými počítačmi samozrejme existujú problémy a KREQC nimi tiež trpí. Je zrejmé, že skutočne chceme milióny qubitov, nielen 6. Je však dôležité tiež poznamenať, že kvantové počítače implementujú iba kombinatorickú logiku - na rozdiel od toho, čo my počítačoví inžinieri nazývame stavový stroj. V zásade to znamená, že kvantový stroj je sám o sebe menej schopný ako Turingov stroj alebo konvenčný počítač. V prípade KREQC implementujeme stavové stroje riadením KREQC pomocou konvenčného počítača na vykonanie sekvencie kvantových výpočtov, jeden na štátnu návštevu pri vykonávaní stavového stroja.

Poďme teda postaviť kvantový počítač pri izbovej teplote!

Krok 2: Nástroje, diely a materiály

KREQC nie je veľa, ale budete potrebovať niektoré diely a nástroje. Začnime s nástrojmi:

• Prístup k spotrebiteľskej 3D tlačiarni. Je možné vyrábať qubity KREQC pomocou CNC frézky a dreva, ale je oveľa jednoduchšie ich vytvoriť extrudovaním plastu PLA. Najväčšia časť s 3D tlačou je 180 x 195 x 34 mm, takže veci sú oveľa jednoduchšie, ak má tlačiareň dostatočne veľký objem tlače, aby sa dala vytlačiť v jednom kuse.
• Spájkovačka. Používa sa na zváranie dielov PLA.
• Rezačky drôtov alebo niečo iné, čo môže rezať malé plastové diely s hrúbkou 1 mm (rohy serva).
• Voliteľne nástroje na spracovanie dreva na výrobu drevenej základne na montáž qubits. Základňa nie je striktne potrebná, pretože každý bit má vstavaný stojan, ktorý by umožnil vyvedenie ovládacieho kábla zozadu.

Nepotrebujete veľa dielov ani materiálov:

• PLA na výrobu qubits. Ak by sa tlačilo so 100% výplňou, stále by to bolo menej ako 700 gramov PLA na qubit; pri rozumnejšej 25% náplni by bol 300 gramov lepší odhad. 6 qubits by teda bolo možné vyrobiť iba pomocou jednej 2 kg cievky za materiálne náklady približne 15 dolárov.
• Jedno mikro servo SG90 na qubit. Tieto sú ľahko dostupné za cenu pod 2 doláre za kus. Uistite sa, že máte k dispozícii mikro servá, ktoré určujú polohovanie o 180 stupňov-nechcete 90-stupňové ani nechcete, aby boli navrhnuté na nepretržité otáčanie s premenlivou rýchlosťou.
• Doska ovládača serva. Existuje mnoho možností, vrátane použitia Arduina, ale veľmi jednoduchou voľbou je 6-kanálový USB servo ovládač Pololu Micro Maestro USB, ktorý stojí menej ako 20 dolárov. Existujú aj ďalšie verzie, ktoré zvládnu 12, 18 alebo 24 kanálov.
• Predlžovacie káble pre SG90 podľa potreby. Káble na SG90 sa trochu líšia v dĺžke, ale budete potrebovať qubits oddelené minimálne 6 palcami, takže budú potrebné predlžovacie káble. Každý z nich je ľahko pod 0,50 dolára, v závislosti od dĺžky.
• Napájanie 5V pre Pololu a SG90. Pololu je bežne napájaný prostredníctvom USB pripojenia k prenosnému počítaču, ale môže byť rozumné mať samostatné napájanie pre serva. Použil som nástennú bradavicu 5V 2,5A, ktorú som mal okolo, ale nové 3A sa dajú kúpiť za menej ako 5 dolárov.
• Voliteľne obojstranná páska, ktorá drží veci pohromade. Páska VHB (Very-High Bond) funguje dobre, keď drží vonkajší plášť každého qubitu pohromade, aj keď zváranie funguje ešte lepšie, ak ho nikdy nepotrebujete rozoberať.
• Voliteľne drevo a dokončovacie potreby na výrobu základne. Ten náš bol vyrobený zo zvyškov obchodu a drží ho pohromade sušienkové spoje, pričom konečnou úpravou je niekoľko vrstiev číreho polyuretánu.

Všetko povedané, 6-qubitový KREQC, ktorý sme postavili, stál zásoby asi 50 dolárov.

Krok 3: 3D tlačené diely: vnútorná časť

Všetky návrhy 3D dielov sú voľne dostupné ako Thing 3225678 na adrese Thingiverse. Choďte si teraz pre svoju kópiu … počkáme …

Ach, tak skoro späť? Ok. Skutočný „bit“v qubite je jednoduchá časť, ktorá je vytlačená z dvoch kusov, pretože je jednoduchšie zaoberať sa zváraním dvoch kusov dohromady, ako používať podpery na tlač vystúpených písmen na oboch stranách jednej časti.

Odporúčam to vytlačiť vo farbe, ktorá kontrastuje s vonkajšou časťou qubit - napríklad čiernou. V našej verzii sme vytlačili horných 0,5 mm v bielej farbe, aby sme získali kontrast, ale to si vyžadovalo zmenu vlákna. Ak by ste to radšej nerobili, vyvýšené povrchy „1“a „0“môžete vždy natrieť. Obe tieto časti sa tlačia bez rozpätí, a teda bez podpier. Použili sme 25% výplň a 0,25 mm výšku vytláčania.

Krok 4: 3D tlačené diely: vonkajšia časť

Vonkajšia časť každého qubitu je trochu zložitejšia tlač. Po prvé, tieto kúsky sú veľké a ploché, a preto ich mnohokrát dvíha z tlačovej postele. Normálne tlačím na horúce sklo, ale tieto si vyžadovali ďalšiu tlač na horúcu modrú maliarsku pásku, aby sa zabránilo deformácii. Opäť platí, že 25% výplň a 0,25 mm výška vrstvy by mali byť viac než dostatočné.

Tieto časti majú tiež rozpätia. Dutina, ktorá drží servo, má rozpätie na oboch stranách a je dôležité, aby boli rozmery tejto dutiny správne - preto musí tlačiť s podporou. Kábel na vedenie káblov je iba na hrubšej zadnej strane a je konštruovaný tak, aby sa zabránilo menšiemu rozpätiu, s výnimkou malého bitu na samom dne. Vnútro základne na oboch kusoch má technicky nepodporovaný rozsah pre vnútornú krivku základne, ale nevadí, ak sa táto časť tlače trochu prehne, takže tam nepotrebujete podporu.

Opäť platí, že voľba farby, ktorá kontrastuje s vnútornými časťami, urobí „Q“qubitov viditeľnejšími. Napriek tomu, že sme prednú stranu s časťami „AGGREGATE. ORG“a „UKY. EDU“vytlačili bielou PLA na modrom pozadí PLA, môže sa vám zdať príťažlivejší vzhľad s nižším kontrastom, pokiaľ ide o farbu tela. Ceníme si, že ste ich tam nechali, aby ste divákom pripomenuli, odkiaľ pochádza dizajn, ale nie je potrebné tieto adresy URL vizuálne kričať.

Akonáhle budú tieto časti vytlačené, odstráňte všetok podporný materiál a uistite sa, že servo zapadá do dvoch kusov držaných spolu. Ak sa nezmestí, pokračujte vo vyberaní podporného materiálu. Je to dosť tesné, ale malo by to umožniť, aby boli obe polovice zatlačené v jednej rovine k sebe. Všimnite si toho, že zámerne nie sú v tlači žiadne zarovnávacie štruktúry, pretože aj mierne pokrivenie by spôsobilo, že zabránia montáži.

Krok 5: Zostavte vnútornú časť

Vezmite dve vnútorné časti a zarovnajte ich chrbtom k sebe tak, aby sa špicatý čap naľavo od „1“zhodoval s hrotitým čapom na „0“. V prípade potreby ich môžete dočasne držať spolu s obojstrannou páskou, ale kľúčové je použiť na ich zváranie horúcu spájkovačku.

Stačí zvárať tam, kde sa okraje spoja. Vykonajte to tak, že najskôr navaríte pomocou spájkovačky, aby ste PLA spolu pretiahli cez okraj medzi dva kusy na niekoľkých miestach. Potom, čo sú diely k sebe prilepené, spustite spájkovačku okolo švu, aby ste vytvorili trvalý zvar. Tieto dva kusy by mali tvoriť časť uvedenú na obrázku vyššie.

Vhodnosť tejto zváranej časti môžete skontrolovať vložením do zadnej vonkajšej časti. Budete ho musieť mierne nakloniť, aby sa špicatý čap dostal na stranu, ktorá nemá dutinu pre servo, ale keď už bude, mala by sa voľne otáčať.

Krok 6: Orientujte servo a nastavte klaksón

Aby to fungovalo, potrebujeme známu priamu korešpondenciu medzi ovládaním serva a polohou rotácie serva. Každé servo má minimálnu a maximálnu šírku impulzu, na ktorú bude reagovať. Budete ich musieť empiricky objaviť pre vaše serva, pretože počítame s plným 180 stupňovým pohybom a rôzni výrobcovia vyrábajú SG90 s mierne odlišnými hodnotami (v skutočnosti majú tiež mierne odlišné veľkosti, ale mali by byť dostatočne blízko zapadajú do povoleného priestoru). Nazvime najkratšiu šírku impulzu „0“a najdlhšiu „1“.

Vezmite jeden z rohov, ktoré boli súčasťou vášho serva, a odstrihnite z neho krídla pomocou nožov na drôt alebo iného vhodného nástroja - ako je vidieť na fotografii vyššie. Veľmi jemné rozstupy prevodov na servo je veľmi ťažké vytlačiť 3D, takže namiesto toho na to použijeme stred jedného zo servo rohov. Orezaný servo roh položte na jedno zo serv. Teraz zapojte servo, nastavte ho do polohy „1“a nechajte ho v tejto polohe.

Pravdepodobne ste si všimli, že špicatý čap má v sebe valcovú dutinu, ktorá je veľká asi ako hlava prevodovky na vašom serve-a je o niečo menšia ako priemer vášho upraveného stredu rohu. Vezmite horúcu spájkovačku a jemne ňou zatočte vo vnútri otvoru v čape a tiež okolo vonkajšej strany orezaného stredu rohu; nesnažíte sa ani roztopiť, ale len aby boli mäkké. Potom držte servo a zatlačte stred klaksónu priamo do otvoru v čape so servom v polohe „1“- vnútorná časť ukazuje „1“, keď je servo umiestnené tak, ako by bolo odpočívajúci v dutine vo vonkajšej zadnej časti.

Keď zatlačíte upravený roh dovnútra, mali by ste PLA trochu preložiť, čím sa vytvorí veľmi pevné spojenie s rohom. Nechajte väzbu trochu vychladnúť a potom vytiahnite servo. Klaksón by teraz mal časť dostatočne dobre spojiť, aby servo mohlo časť voľne otáčať bez výraznej vôle.

Krok 7: Zostavte každý Qubit

Teraz ste pripravení postaviť qubits. Umiestnite vonkajšiu zadnú časť na rovný povrch (napríklad na stôl) tak, aby dutina serva smerovala nahor a stojan visel nad okrajom povrchu, aby vonkajšia zadná časť sedela naplocho. Teraz vezmite servo a vnútornú časť pripevnené k klaksónu a vložte ich do zadnej vonkajšej časti. Zatlačte kábel zo serva do jeho kanála.

Akonáhle je všetko v poriadku, umiestnite prednú vonkajšiu časť na zostavu. Zapojte servo a ovládajte ho, pričom držte zostavu pohromade, aby ste sa presvedčili, že nič neviaže alebo nie je zarovnané. Teraz buď pomocou pásky VHB alebo pomocou spájkovačky zvarte vonkajšiu prednú a zadnú časť dohromady.

Tieto kroky zopakujte pre každý qubit.

Krok 8: Montáž

Malá základňa každého qubitu má v zadnej časti výrez, ktorý vám umožní viesť servo kábel von zozadu, aby sa pripojil k vášmu regulátoru, a základňa je dostatočne široká, aby bol každý qubit sám o sebe stabilný, takže by ste mohli jednoducho položiť predlžovacie káble na každom serve a veďte ich rozložené po stole alebo inom rovnom povrchu. To však ukáže káble, ktoré ich spájajú …

Mám pocit, že videnie drôtov ničí ilúziu strašidelnej akcie na diaľku, preto radšej drôty úplne skryjem. Na to potrebujeme iba montážnu plošinu s otvorom pod každým qubitom, ktorý je dostatočne veľký na to, aby cez neho prešiel konektor servo kábla. Samozrejme by sme chceli, aby každý qubit zostal na svojom mieste, takže v základni sú tri 1/4-20 závitovaných otvorov. Zámerom je použiť stredový, ale ostatné je možné použiť na zvýšenie bezpečnosti vecí alebo v prípade, že dôjde k strhnutiu stredového závitu pretiahnutím. Jeden teda vyvŕta dva tesne rozmiestnené otvory v základni pre každý qubit: jeden na prevlečenie závitového závitu 1/4-20, druhý na prevlečenie konektora servo kábla.

Pretože drevo 3/4 "je najbežnejšie, budete ho pravdepodobne chcieť použiť na vrch základne-ako som to urobil ja. V takom prípade budete potrebovať skrutku alebo skrutku 1/4-20 približne 1,25" dlho. Môžete si ich kúpiť v každom železiarstve za cenu asi 1 dolár za šesť. Prípadne ich môžete vytlačiť 3D … ale pokiaľ ich tlačíte, odporúčam ich vytlačiť po jednom, pretože to minimalizuje chyby v jemnom závite skrutky.

Rozmery držiaka nie sú zrejmé, ale určujú dĺžky predlžovacích káblov, ktoré budete potrebovať. KREQC bol vykonaný ako dva rady troch qubitov, aby sa držiak zmestil do prenosného kufra, a tak sme ho priniesli do našej výskumnej výstavy IEEE/ACM SC18.

Krok 9: Označte to

Ako posledný krok nezabudnite označiť svoj kvantový počítač!

3D sme vytlačili menovku čiernou farbou na zlato, ktorá bola potom pripevnená k drevenej prednej časti základne. Nebojte sa označiť svoj štítok iným spôsobom, napríklad 2D tlačou pripojeného obrázku s menovkou PDF pomocou laserovej alebo atramentovej tlačiarne. Nebolo by na škodu označiť každý qubit svojou polohou, najmä ak budete príliš kreatívni v tom, ako rozložíte qubity na základni.

Tiež by vás mohlo zaujímať rozdávanie 3D qubit kľúčov; nie sú zapletené ani nie sú motorizované, ale voľne sa otáčajú, keď na ne zafúknete a urobia vám skvelú spomienku na ukážku KREQC so sebou.