KREQC: Komputer Kuantum Berotol Putaran Kentucky: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Kami memanggilnya "creek" - dieja KREQC: Kentucky Rotatedally Emulated Quantum Computer. Ya, arahan ini akan menunjukkan kepada anda bagaimana membuat komputer kuantum yang berfungsi sendiri yang boleh dipercayai pada suhu bilik dengan masa kitaran minimum kira-kira 1/2 saat. Jumlah kos pembinaan adalah $ 50- $ 100.

Tidak seperti komputer kuantum IBM Q yang ditunjukkan dalam foto kedua, KREQC tidak secara langsung menggunakan fenomena fizik kuantum untuk melaksanakan qubitnya yang terjerat sepenuhnya. Saya rasa kita boleh berpendapat bahawa semuanya menggunakan fizik kuantum, tetapi ia hanya servo yang dikendalikan secara konvensional yang melaksanakan "aksi menakutkan Einstein" di KREQC. Sebaliknya, servo tersebut membolehkan KREQC meniru tingkah laku dengan lebih baik, menjadikan operasi mudah dilihat dan dijelaskan. Bercakap mengenai penjelasan….

Langkah 1: Apa itu Komputer Kuantum?

Sebelum memberikan penjelasan kami, berikut adalah pautan ke penjelasan yang bagus dari dokumentasi IBM Q Experience. Sekarang kita akan mengambil gambar kita….

Tidak syak lagi, anda telah mendengar lebih daripada sedikit (pun dimaksudkan) tentang bagaimana qubit memberikan kebolehan komputasi ajaib pada komputer kuantum. Idea asasnya adalah bahawa sementara bit biasa boleh berupa 0 atau 1, qubit dapat 0, 1, atau tidak tentu. Dengan sendirinya, itu tidak begitu berguna - dan hanya dengan satu qubit tidak - tetapi beberapa qubit terjerat mempunyai sifat yang agak berguna bahawa nilai tak tentu mereka dapat secara bersamaan merangkumi semua kemungkinan kombinasi nilai bit. Sebagai contoh, 6 bit boleh mempunyai satu nilai dari 0 hingga 63 (iaitu, 2 ^ 6), sementara 6 bit boleh mempunyai nilai tak tentu yang semua nilai dari 0 hingga 63 dengan kebarangkalian yang berpotensi berbeza yang terkait dengan setiap nilai yang mungkin. Apabila nilai qubit dibaca, nilai-nilai itu dan semua qubit yang terikat dengannya menjadi ditentukan, dengan nilai tunggal yang dibaca untuk setiap qubit dipilih secara rawak sesuai dengan kebarangkalian; jika nilai tidak tentu adalah 75% 42 dan 25% 0, maka kira-kira 3 dari setiap empat kali pengiraan kuantum dilakukan, hasilnya akan menjadi 42 dan kali lain akan menjadi 0. Titik utama adalah bahawa pengiraan kuantum menilai semua nilai yang mungkin dan mengembalikan satu (daripada berpotensi berganda) jawapan yang sah, mencuba banyak nilai secara serentak - dan itulah bahagian yang menarik. Perlu 64 sistem 6-bit untuk melakukan apa yang dapat dilakukan oleh satu sistem 6-bit.

Setiap 6 qubit KREQC yang dililit sepenuhnya boleh mempunyai nilai putaran 0, 1, atau tidak tentu. Nilai tidak tentu yang dapat dilengkapkan ditunjukkan oleh semua qubit berada dalam kedudukan mendatar. Ketika pengiraan kuantum berjalan, kebarangkalian nilai berbeza berubah - ditunjukkan dalam KREQC oleh individu qubits yang bergoyang dan menganggap kedudukan statistik mencerminkan kebarangkalian nilai. Akhirnya, pengiraan kuantum ditamatkan dengan mengukur qubit yang terjerat, yang runtuh nilai tak tentu menjadi urutan 0s dan 1s yang ditentukan sepenuhnya. Dalam video di atas, anda melihat KREQC mengira "jawapan kepada persoalan utama kehidupan, alam semesta, dan segalanya" - dengan kata lain, 42 … yang dalam binari adalah 101010, dengan 101 di barisan belakang qubit dan 010 di hadapan.

Sudah tentu, ada beberapa masalah dengan komputer kuantum, dan KREQC juga menderita. Yang jelas adalah bahawa kita benar-benar menginginkan jutaan qubit, bukan hanya 6. Namun, juga penting untuk diperhatikan bahawa komputer kuantum hanya menggunakan logik kombinatori - berbanding dengan apa yang kita jurutera komputer sebut sebagai mesin negara. Pada dasarnya, ini bermaksud mesin kuantum dengan sendirinya kurang berkemampuan daripada mesin Turing atau komputer konvensional. Dalam kes KREQC, kami menerapkan mesin negara dengan mengendalikan KREQC menggunakan komputer konvensional untuk melakukan urutan pengiraan kuantum, satu per kunjungan negara dalam pelaksanaan mesin negara.

Oleh itu, mari kita bina komputer kuantum suhu bilik!

Langkah 2: Alat, Bahagian, dan Bahan

Tidak banyak untuk KREQC, tetapi anda memerlukan beberapa bahagian dan alat. Mari mulakan dengan alat:

• Akses ke pencetak 3D kelas pengguna. Adalah mungkin untuk membuat qubit KREQC menggunakan mesin penggilingan CNC dan kayu, tetapi lebih mudah dan lebih rapi untuk membuatnya dengan mengekstrusi plastik PLA. Bahagian bercetak 3D terbesar ialah 180x195x34mm, jadi lebih mudah jika pencetak mempunyai jumlah cetakan yang cukup besar untuk mencetaknya dalam satu bahagian.
• Setrika pematerian. Untuk digunakan untuk mengimpal bahagian PLA.
• Pemotong wayar atau sesuatu yang boleh memotong bahagian plastik setebal 1mm (tanduk servo).
• Sebagai pilihan, alat kerja kayu untuk membuat pangkalan kayu untuk memasang qubit. Pangkalan tidak diperlukan kerana setiap bit mempunyai pendirian terbina dalam yang membolehkan kabel kawalan keluar dari belakang.

Anda tidak memerlukan banyak bahagian atau bahan:

• PLA untuk membuat qubit. Sekiranya dicetak pada 100% isian, harganya masih kurang daripada 700 gram PLA per qubit; dengan pengisian 25% yang lebih berpatutan, 300 gram akan menjadi anggaran yang lebih baik. Oleh itu, 6 qubit dapat dibuat dengan hanya menggunakan satu gulungan 2kg, dengan biaya material sekitar $ 15.
• Satu servo mikro SG90 per qubit. Ini tersedia dengan harga di bawah $ 2 setiap satu. Pastikan untuk mendapatkan servo mikro yang menentukan operasi penentududukan 180 darjah - anda tidak mahu yang 90 darjah dan anda juga tidak mahu yang dirancang untuk putaran berterusan pada kelajuan berubah.
• Papan pengawal servo. Terdapat banyak pilihan, termasuk menggunakan Arduino, tetapi pilihan yang sangat mudah adalah Pengawal Servo USB 6-Channel Pololu Micro Maestro yang harganya di bawah $ 20. Terdapat versi lain yang dapat menangani 12, 18, atau 24 saluran.
• Kabel sambungan untuk SG90s seperti yang diperlukan. Kabel pada SG90 sedikit berbeza, tetapi anda memerlukan qubit untuk dipisahkan dengan jarak minimum 6 inci, jadi kabel sambungan diperlukan. Harganya di bawah $ 0,50 setiap satu, bergantung pada panjangnya.
• Bekalan kuasa 5V untuk Pololu dan SG90. Biasanya, Pololu diaktifkan melalui sambungan USB ke komputer riba, tetapi bijaksana untuk mempunyai bekalan kuasa yang terpisah untuk servo. Saya menggunakan kutil dinding 5V 2.5A yang saya ada, tetapi yang baru 3A boleh dibeli dengan harga di bawah $ 5.
• Sebagai pilihan, pita 2 sisi untuk menyatukan sesuatu. Pita VHB (Very-High Bond) berfungsi dengan baik untuk menahan cengkerang luar setiap qubit, walaupun pengelasan berfungsi lebih baik jika anda tidak perlu melepaskannya.
• Sebagai pilihan, bekalan kayu dan penamat untuk membuat pangkalan. Milik kami dibuat dari sisa-sisa kedai dan dipegang bersama oleh biskut, dengan beberapa lapisan poliuretana jernih sebagai kemasan akhir.

Semua diberitahu, KREQC 6-qubit yang kami bina berharga kira-kira $ 50 untuk bekalan.

Langkah 3: Bahagian 3D-Printed: Bahagian Dalaman

Semua reka bentuk bahagian yang dicetak 3D boleh didapati secara percuma sebagai Thing 3225678 di Thingiverse. Pergi dapatkan salinan anda sekarang … kami akan tunggu ….

Ah, kembali sebentar lagi? Okey. "Bit" sebenarnya di bahagian qubit adalah bahagian mudah yang dicetak dalam dua bahagian kerana lebih mudah menangani pengelasan dua kepingan daripada menggunakan penyokong untuk mencetak huruf yang dibangkitkan pada kedua sisi satu bahagian.

Saya cadangkan mencetaknya dengan warna yang berbeza dengan bahagian luar qubit - hitam, misalnya. Dalam versi kami, kami mencetak putih 0.5mm atas untuk memberikan kontras, tetapi itu memerlukan perubahan filamen. Sekiranya anda tidak mahu melakukannya, anda boleh melukis permukaan "1" dan "0." Kedua-dua bahagian ini dicetak tanpa span dan oleh itu tanpa sokongan. Kami menggunakan 25% pengisian dan ketinggian penyemperitan 0.25mm.

Langkah 4: Bahagian Cetakan 3D: Bahagian Luar

Bahagian luar setiap qubit adalah cetakan yang lebih rumit. Pertama, kepingan ini berukuran besar dan rata, oleh itu perlu diangkat dari tempat tidur cetak anda. Saya biasanya mencetak pada kaca panas, tetapi ini memerlukan cetakan tambahan pada pita pelukis biru panas untuk mengelakkan melengkung. Sekali lagi, isian 25% dan ketinggian lapisan 0,25mm semestinya lebih dari cukup.

Bahagian-bahagian ini juga mempunyai span. Rongga yang menahan servo membentang di kedua-dua sisi dan sangat penting bahawa dimensi rongga ini betul - jadi ia perlu dicetak dengan sokongan. Saluran perutean kabel hanya di bahagian belakang yang lebih tebal, dan dibina untuk mengelakkan span kecuali sedikit di bahagian bawah. Bahagian dalam pangkal pada kedua kepingan secara teknis memiliki rentang yang tidak disokong untuk lekukan dalaman pangkalan, tetapi tidak menjadi masalah jika bahagian cetakan itu sedikit kendur, jadi anda tidak memerlukan sokongan di sana.

Sekali lagi, pilihan warna yang berbeza dengan bahagian dalam akan menjadikan "Q" qubit lebih kelihatan. Walaupun kami mencetak bahagian depan dengan bahagian "AGGREGATE. ORG" dan "UKY. EDU" dalam PLA putih di latar belakang PLA biru, anda mungkin melihat rupa kontras yang lebih rendah menjadikannya warna badan menjadi lebih menarik. Kami menghargai anda meninggalkan mereka di sana untuk mengingatkan penonton dari mana reka bentuknya berasal, tetapi tidak perlu memaparkan URL ini secara visual.

Setelah bahagian ini dicetak, keluarkan sebarang bahan sokongan dan pastikan servo sesuai dengan kedua kepingan itu. Sekiranya tidak sesuai, terus pilih bahan sokongan. Ia cukup kemas, tetapi harus membiarkan kedua-dua bahagian didorong bersama. Perhatikan bahawa sengaja tidak ada struktur penjajaran di cetakan kerana walaupun sedikit penyimpangan akan menyebabkannya menghalang pemasangan.

Langkah 5: Pasang Bahagian Dalam

Ambil dua bahagian dalam dan sejajarkannya ke belakang sehingga pivot runcing di sebelah kiri "1" berbaris dengan pivot runcing di "0." Anda boleh memegangnya dengan pita dua sisi buat sementara waktu jika dikehendaki, tetapi kuncinya adalah menggunakan besi pematerian panas untuk menyatukannya.

Cukup untuk mengimpal di mana tepinya bersatu. Lakukan ini dengan mengikat kimpalan terlebih dahulu dengan menggunakan besi pematerian untuk menyeret PLA bersama-sama melintasi tepi antara dua kepingan di beberapa tempat. Setelah bahagian-bahagiannya diikat bersama, jalankan besi pematerian di seluruh jahitan untuk membuat kimpalan tetap. Kedua-dua keping itu harus menjadikan bahagian yang ditunjukkan dalam gambar di atas.

Anda boleh memeriksa kesesuaian bahagian yang dikimpal ini dengan memasukkannya ke bahagian luar belakang. Anda perlu memiringkannya sedikit untuk mendapatkan pivot runcing ke sisi yang tidak mempunyai rongga servo, tetapi sekali masuk, ia harus berputar dengan bebas.

Langkah 6: Orientasikan Servo dan Tetapkan Tanduk

Agar ini dapat berfungsi, kita perlu mempunyai korespondensi langsung yang diketahui antara kawalan servo dan kedudukan putaran servo. Setiap servo mempunyai lebar nadi minimum dan maksimum yang mana ia akan bertindak balas. Anda perlu menemui mereka secara empirik untuk servos anda, kerana kami bergantung pada pergerakan 180 darjah sepenuhnya dan pengeluar yang berbeza menghasilkan SG90 dengan nilai yang sedikit berbeza (sebenarnya, mereka juga mempunyai ukuran yang sedikit berbeza, tetapi mestilah cukup dekat dengan sesuai dengan ruang yang dibenarkan). Mari panggil lebar nadi terpendek "0" dan terpanjang "1".

Ambil salah satu tanduk yang disertakan dengan servo anda dan potong sayapnya dengan menggunakan pemotong wayar atau alat lain yang sesuai - seperti yang terlihat pada foto di atas. Gear gear yang sangat halus pada servo sangat sukar dicetak 3D, jadi kami sebaliknya akan menggunakan pusat salah satu tanduk servo untuk itu. Letakkan tanduk servo yang dipangkas pada salah satu servo. Sekarang pasangkan servo, tetapkan ke kedudukan "1" dan biarkan di kedudukan itu.

Anda mungkin menyedari bahawa pivot yang tidak runcing mempunyai rongga silinder di dalamnya yang berukuran kira-kira ukuran kepala gear pada servo anda - dan agak lebih kecil daripada diameter pusat tanduk anda yang dipangkas. Ambil besi pematerian panas dan putar perlahan ke dalam lubang di pangsi dan juga di sekitar bahagian luar pusat tanduk yang dipangkas; anda tidak cuba mencairkannya, tetapi hanya untuk membuatnya lembut. Seterusnya, dengan memegang servo, tekan pusat tanduk terus ke lubang di pangsi dengan servo pada posisi yang seharusnya "1" - dengan bahagian dalam menunjukkan "1" ketika servo diposisikan seperti ketika berehat di rongga di bahagian belakang luar.

Anda harus melihat PLA melipat sendiri sedikit semasa anda mendorong tanduk yang dipangkas ke dalam, mewujudkan sambungan yang kuat ke tanduk. Biarkan ikatan sejuk sedikit dan kemudian tarik servo. Tanduk sekarang harus mengikat bahagian dengan cukup baik sehingga servo dapat memutar bahagian dengan bebas tanpa permainan yang ketara.

Langkah 7: Kumpulkan Setiap Qubit

Sekarang anda sudah bersedia untuk membina qubit. Letakkan bahagian belakang luar pada permukaan rata (mis. Meja) sehingga rongga servo menghadap ke atas dan dudukannya tergantung di tepi permukaan sehingga bahagian belakang luar duduk rata. Sekarang ambil bahagian servo dan bahagian dalam yang dipasang oleh tanduk dan masukkan ke bahagian luar belakang. Tekan kabel dari servo ke saluran untuknya.

Setelah semua duduk rata, letakkan bahagian luar depan di atas pemasangan. Sambungkan servo dan operasikannya sambil mengadakan pemasangan bersama untuk memastikan tidak ada yang mengikat atau tidak sejajar. Sekarang gunakan pita VHB atau gunakan besi pematerian untuk mengimpal bahagian depan dan belakang luar.

Ulangi langkah-langkah ini untuk setiap qubit.

Langkah 8: Pemasangan

Pangkalan kecil setiap qubit mempunyai potongan di bahagian belakang yang membolehkan anda menjalankan kabel servo ke belakang untuk menyambung ke alat kawalan anda, dan pangkalannya cukup lebar untuk setiap qubit menjadi stabil dengan sendirinya, jadi anda boleh meletakkannya kabel sambungan pada setiap servo dan pasangkannya di atas meja atau permukaan rata yang lain. Namun, itu akan menunjukkan wayar yang menghubungkannya….

Saya merasakan bahawa melihat wayar merosakkan ilusi aksi menyeramkan pada jarak jauh, jadi saya lebih suka menyembunyikan wayar sepenuhnya. Untuk melakukan itu, yang kita perlukan hanyalah platform pemasangan dengan lubang di bawah setiap qubit yang cukup besar untuk dilalui oleh penyambung kabel servo. Sudah tentu, kami ingin setiap qubit tetap berada di tempatnya, jadi ada tiga 1/4-20 lubang yang diketuk di dasar. Tujuannya adalah untuk menggunakan pusat, tetapi yang lain dapat digunakan untuk membuat sesuatu lebih aman atau jika benang pusat dilucutkan dengan cara terlalu ketat. Oleh itu, satu menggerudi dua lubang jarak dekat di pangkalan untuk setiap qubit: satu untuk melewati benang skru 1/4-20, yang lain untuk melewati penyambung kabel servo.

Oleh kerana kayu 3/4 "paling biasa, anda mungkin ingin menggunakannya untuk bahagian atas pangkal - seperti yang saya lakukan. Sekiranya demikian, anda memerlukan skru atau bolt 1/4-20 lebih kurang 1.25" lama. Anda boleh membelinya di mana-mana kedai perkakasan dengan harga kira-kira $ 1 untuk enam. Sebagai alternatif, anda boleh mencetak 3D … tetapi saya cadangkan mencetaknya satu demi satu jika anda mencetaknya kerana ini dapat mengurangkan kecacatan pada benang skru halus.

Jelas, dimensi pelekap tidak kritikal, tetapi ia akan menentukan panjang kabel sambungan yang anda perlukan. KREQC dilakukan sebagai dua baris dengan tiga qubit terutamanya sehingga pemasangannya sesuai dengan beg pakaian, begitulah cara kami membawanya ke pameran penyelidikan IEEE / ACM SC18 kami.

Langkah 9: Jenama

Sebagai langkah terakhir, jangan lupa untuk melabel komputer kuantum anda!

Kami 3D-mencetak papan nama berwarna hitam ke atas emas, yang kemudiannya dipasang pada bahagian depan kayu di pangkalan. Jangan ragu untuk melabel milik anda dengan cara lain, seperti pencetakan 2D gambar papan nama PDF yang dilampirkan dengan laser atau pencetak inkjet. Tidak ada salahnya melabel setiap qubit dengan kedudukannya, terutama jika anda terlalu kreatif tentang bagaimana anda mengatur qubit di pangkal.

Anda mungkin juga senang membagikan gantungan kunci qubit yang dicetak 3D; mereka tidak terjerat dan juga tidak bermotor, tetapi mereka berputar dengan bebas ketika anda meletupkan mereka dan membuat peringatan pulang-pulang yang hebat dari demonstrasi KREQC.