KREQC: Kompjuteri Kuantik i Emuluar Rotacional i Kentucky: 9 Hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:17

Ne e quajmë "përrua" - e shkruar KREQC: Kompjuteri Kuantik i Emuluar Rotacional i Kentucky. Po, ky udhëzues do t'ju tregojë se si ta bëni kompjuterin tuaj kuantik të punës që funksionon me besueshmëri në temperaturën e dhomës me një kohë minimale të ciklit prej rreth 1/2 sekondë. Kostoja totale e ndërtimit është 50-100 dollarë.

Ndryshe nga kompjuteri kuantik IBM Q i treguar në foton e dytë, KREQC nuk po përdor drejtpërdrejt fenomene të fizikës kuantike për të zbatuar kubitet e saj plotësisht të ngatërruar. Epo, unë mendoj se ne mund të argumentojmë se gjithçka përdor fizikë kuantike, por në të vërtetë janë servot e kontrolluara në mënyrë konvencionale që zbatojnë "veprimin drithërues në distancë" të Ajnshtajnit në KREQC. Nga ana tjetër, ata servos lejojnë KREQC të imitojë sjelljen mjaft mirë, duke e bërë operacionin të lehtë për tu parë dhe shpjeguar. Duke folur për shpjegime….

Hapi 1: Çfarë është një kompjuter kuantik?

Para se të jepni shpjegimin tonë, këtu keni një lidhje me një shpjegim të bukur nga dokumentacioni IBM Q Experience. Tani do të bëjmë goditjen tonë….

Pa dyshim, keni dëgjuar më shumë se pak (me fjalën e menduar) për mënyrën sesi qubitët japin aftësi llogaritëse magjike në kompjuterët kuantikë. Ideja themelore është se ndërsa një bit i zakonshëm mund të jetë ose 0 ose 1, një qubit mund të jetë 0, 1, ose i papërcaktuar. Në vetvete, kjo nuk duket veçanërisht e dobishme - dhe me vetëm një kubit nuk është - por qubitët e shumtë të ngatërruar kanë vetinë mjaft të dobishme që vlerat e tyre të papërcaktuara mund të mbulojnë njëkohësisht të gjitha kombinimet e mundshme të vlerave të bitit. Për shembull, 6 bit mund të kenë çdo vlerë nga 0 në 63 (dmth. 2^6), ndërsa 6 kubit mund të kenë një vlerë të pacaktuar e cila është e gjitha vlerat nga 0 në 63 me një probabilitet potencialisht të ndryshëm të lidhur me secilën vlerë të mundshme. Kur vlera e një qubit lexohet, vlerat e tij dhe të gjithë qubitet e ngatërruar me të përcaktohen, me vlerën e vetme të lexuar për secilin qubit të zgjedhur rastësisht në përputhje me probabilitetet; nëse vlera e pacaktuar është 75% 42 dhe 25% 0, atëherë afërsisht 3 nga çdo katër herë që kryhet llogaritja kuantike, rezultati do të jetë 42 dhe herët e tjera do të jetë 0. Pika kryesore është se llogaritja kuantike vlerëson të gjitha vlerat e mundshme dhe kthen një (me shumë mundësi) përgjigje të vlefshme, duke provuar në mënyrë eksponenciale shumë vlera njëkohësisht - dhe kjo është pjesa emocionuese. Do të duheshin 64 sisteme 6-bit për të bërë atë që mund të bëjë një sistem 6-kubit.

Secili nga 6 kubitët e KREQC-së të ngatërruar plotësisht mund të ketë një vlerë rrotulluese që është 0, 1, ose e papërcaktuar. Vlera e papërcaktuar ekuibrueshme përfaqësohet nga të gjithë kubitët që janë në pozicionin horizontal. Ndërsa vazhdon një llogaritje kuantike, probabilitetet e vlerave të ndryshme ndryshojnë - të përfaqësuara në KREQC nga kubitët individualë që tunden dhe marrin pozicione statistikore që pasqyrojnë probabilitetet e vlerave. Përfundimisht, llogaritja kuantike përfundon duke matur kubitet e ngatërruar, e cila shemb vlerën e papërcaktuar në një sekuencë të përcaktuar plotësisht prej 0s dhe 1s. Në videon e mësipërme, ju shihni KREQC duke llogaritur "përgjigjen e pyetjes përfundimtare të jetës, universit dhe gjithçkaje" - me fjalë të tjera, 42 … që në binar është 101010, me 101 në rreshtin e pasëm të kubitëve dhe 010 në pjesa e përparme.

Sigurisht, ka disa probleme me kompjuterët kuantikë, dhe KREQC gjithashtu i vuan ato. Një e qartë është se ne duam me të vërtetë miliona kubitë, jo vetëm 6. Megjithatë, është gjithashtu e rëndësishme të theksohet se kompjuterët kuantikë zbatojnë vetëm logjikën kombinatore - në krahasim me atë që ne inxhinierët e kompjuterave e quajmë një makinë shtetërore. Në thelb, kjo do të thotë që një makinë kuantike në vetvete është më pak e aftë se një makinë Turing ose një kompjuter konvencional. Në rastin e KREQC, ne zbatojmë makinat shtetërore duke kontrolluar KREQC duke përdorur një kompjuter konvencional për të kryer një sekuencë të llogaritjeve kuantike, një për vizitë shtetërore në ekzekutimin e makinës shtetërore.

Pra, le të ndërtojmë një kompjuter kuantik të temperaturës së dhomës!

Hapi 2: Mjetet, Pjesët dhe Materialet

Nuk ka shumë për KREQC, por do t'ju duhen disa pjesë dhe mjete. Le të fillojmë me mjetet:

• Qasje në një printer 3D të konsumatorit. Do të ishte e mundur të bëheshin kubitët e KREQC duke përdorur një makinë bluarëse CNC dhe dru, por është shumë më e lehtë dhe më e thjeshtë për t'i bërë ato duke nxjerrë plastikë PLA. Pjesa më e madhe e printuar 3D është 180x195x34mm, kështu që gjërat janë shumë më të lehta nëse printeri ka një vëllim printimi mjaft të madh për ta printuar atë në një copë.
• Një hekur bashkues. Përdoret për saldimin e pjesëve PLA.
• Prerës telash ose diçka tjetër që mund të presë pjesë të vogla plastike me trashësi 1mm (brirët e servo).
• Opsionale, mjete të përpunimit të drurit për të bërë një bazë prej druri për të montuar kubitët. Një bazë nuk është rreptësisht e nevojshme sepse çdo bit ka një stendë të integruar që do të lejojë një kabllo kontrolli të dalë nga pjesa e pasme.

Ju nuk keni nevojë për shumë pjesë ose materiale:

• PLA për prodhimin e kubitëve. Nëse shtypet me mbushje 100%, do të ishte akoma më pak se 700 gram PLA për qubit; me një mbushje më të arsyeshme 25%, 300 gram do të ishte një vlerësim më i mirë. Kështu, 6 kubitë mund të bëhen duke përdorur vetëm një bobinë 2kg, me një kosto materiale prej rreth 15 dollarë.
• Një mikro servo SG90 për qubit. Këto janë lehtësisht të disponueshme për nën 2 dollarë secila. Sigurohuni që të merrni mikro servo që specifikojnë funksionimin e pozicionimit 180 gradë-ju nuk doni ato 90 gradë as nuk doni ato të dizajnuara për rrotullim të vazhdueshëm me shpejtësi të ndryshueshme.
• Një bord kontrollues servo. Ka shumë zgjedhje, duke përfshirë përdorimin e një Arduino, por një zgjedhje shumë e lehtë është kontrolluesi i shërbimit USB 6-kanalësh Pololu Micro Maestro i cili kushton nën 20 dollarë. Ka versione të tjera që mund të trajtojnë 12, 18 ose 24 kanale.
• Kabllot shtesë për SG90 sipas nevojës. Kabllot në SG90 ndryshojnë në gjatësi disi, por do t'ju duhet kubitë që të ndahen me një minimum prej rreth 6 inç, kështu që do të nevojiten kabllo zgjatues. Këto janë lehtësisht nën 0.50 dollarë secila, në varësi të gjatësisë.
• Një furnizim me energji 5V për Pololu dhe SG90. Normalisht, Pololu mundësohet nëpërmjet lidhjes USB me një laptop, por mund të jetë e mençur të kesh një furnizim me energji të veçantë për servos. Kam përdorur një lyth muri 5V 2.5A që kisha përreth, por ato të reja 3A mund të blihen për nën 5 dollarë.
• Opsionale, kasetë e dyanshme për t'i mbajtur gjërat së bashku. Shiriti VHB (Lidhje Shumë e Lartë) funksionon mirë për të mbajtur së bashku pjesën e jashtme të secilit qubit, megjithëse saldimi funksionon edhe më mirë nëse nuk keni nevojë ta ndani kurrë.
• Opsionale, druri dhe furnizimet e mbarimit për të bërë bazën. E jona është bërë nga copëzat e dyqaneve dhe mbahen së bashku nga nyjet e biskotave, me disa shtresa poliuretani të qartë si përfundimi përfundimtar.

Siç u tha më parë, KREQC me 6 qubit që ndërtuam kushtoi rreth 50 dollarë në furnizime.

Hapi 3: Pjesët e Shtypura në 3D: Pjesa e Brendshme

Të gjitha modelet e pjesëve të printuara 3D janë të disponueshme lirshëm si Thing 3225678 në Thingiverse. Shkoni merrni kopjen tuaj tani … ne do të presim….

Ah, kthehem kaq shpejt? Ne rregull. "Bit" i vërtetë në qubit është një pjesë e thjeshtë që shtypet në dy pjesë, sepse është më e lehtë të merresh me saldimin e dy pjesëve së bashku sesa të përdorësh mbështetës për të shtypur shkronja të ngritura në të dy anët e një pjese.

Unë rekomandoj që ta printoni në një ngjyrë që bie në kontrast me pjesën e jashtme të qubit - e zezë, për shembull. Në versionin tonë, ne shtypëm pjesën e sipërme 0.5mm me ngjyrë të bardhë për të dhënë kontrast, por kjo kërkonte ndryshimin e filamentit. Nëse nuk preferoni ta bëni këtë, gjithmonë mund të pikturoni sipërfaqet e ngritura të "1" dhe "0". Të dyja këto pjesë shtypen pa hapësira dhe kështu pa mbështetëse. Ne përdorëm 25% mbushje dhe 0.25mm lartësi nxjerrje.

Hapi 4: Pjesët e printuara në 3D: Pjesa e jashtme

Pjesa e jashtme e secilit qubit është një printim më i ndërlikuar. Së pari, këto pjesë janë të mëdha dhe të sheshta, prandaj i nënshtrohen shumë ngritjeve nga shtrati juaj i printuar. Unë normalisht printoj në xham të nxehtë, por këto kërkonin shkopin shtesë të printimit në shiritin e piktorit të nxehtë blu për të shmangur prishjen. Përsëri, mbushja 25% dhe lartësia e shtresës 0.25mm duhet të jetë më se e mjaftueshme.

Këto pjesë gjithashtu të dyja kanë hapësira. Zgavra që mban servo ka hapësirë në të dy anët dhe është kritike që dimensionet e kësaj zgavre të jenë të sakta - kështu që duhet të printohet me mbështetje. Kanali i përcjelljes së kabllove është vetëm në anën e trashë të pasme dhe është ndërtuar për të shmangur çdo hapësirë, përveç një grimce të vogël në bazën e saj. Pjesa e brendshme e bazës në të dyja pjesët ka teknikisht një hapësirë të pambështetur për kurbën e brendshme të bazës, por nuk ka rëndësi nëse ajo pjesë e printimit bie pak, kështu që nuk keni nevojë për mbështetje atje.

Përsëri, një zgjedhje ngjyrash që bie në kontrast me pjesët e brendshme do ta bëjë "Q" të kubitëve më të dukshëm. Megjithëse e kemi shtypur pjesën e përparme me pjesët "AGGREGATE. ORG" dhe "UKY. EDU" në PLA të bardhë në sfondin blu të PLA, ju mund të shihni se pamja me kontrast më të ulët për të pasur ngjyrën e trupit të tyre është më tërheqëse. Ne e vlerësojmë që i keni lënë atje për të kujtuar shikuesit nga ka ardhur modeli, por nuk ka nevojë të bërtisni vizualisht këto URL.

Pasi të jenë printuar këto pjesë, hiqni çdo material mbështetës dhe sigurohuni që servo të përshtatet me dy pjesët e mbajtura së bashku. Nëse nuk përshtatet, vazhdoni të zgjidhni materialin mbështetës. Fitshtë një përshtatje mjaft e ngushtë, por duhet të lejojë që të dyja gjysmat të shtyhen së bashku. Vini re se qëllimisht nuk ka struktura shtrirjeje në shtyp, sepse edhe shtrembërimi i vogël do t'i bënte ata të parandalonin montimin.

Hapi 5: Mblidhni pjesën e brendshme

Merrni dy pjesët e brendshme dhe rreshtojini ato njëra-tjetrën në mënyrë që strumbullari me majë në të majtë të "1" të rreshtohet me strumbullarin pikant në "0." Nëse dëshironi, mund t'i mbani përkohësisht së bashku me shirit të dyanshëm, por çelësi është që të përdorni një saldim të nxehtë për t'i bashkuar ato.

Mjafton të saldohet aty ku skajet bashkohen. Bëni këtë duke bashkuar saldimin duke përdorur hekurin për të tërhequr PLA së bashku përgjatë skajit midis dy pjesëve në disa pika. Pasi pjesët të jenë ngjitur së bashku, drejtojeni hekurin e saldimit në të gjithë shtresën për të krijuar një saldim të përhershëm. Të dy pjesët duhet të bëjnë pjesën e treguar në imazhin e mësipërm.

Ju mund të kontrolloni përshtatshmërinë e kësaj pjese të salduar duke e futur atë në pjesën e pasme të jashtme. Ju do të duhet ta anoni pak për të marrë boshtin me majë në anën që nuk ka zgavrën servo, por sapo të hyjë brenda, ajo duhet të rrotullohet lirshëm.

Hapi 6: Orientoni Servonin dhe Vendosni Bririn

Në mënyrë që kjo të funksionojë, duhet të kemi një korrespondencë të drejtpërdrejtë të njohur midis kontrollit të servo dhe pozicionit rrotullues të servo. Çdo servo ka një gjerësi minimale dhe maksimale të impulsit të cilës do t'i përgjigjet. Ju do të keni nevojë t'i zbuloni ato në mënyrë empirike për servos tuaj, sepse ne jemi duke llogaritur në lëvizjen e plotë 180 gradë dhe prodhues të ndryshëm prodhojnë SG90 me vlera pak më të ndryshme (në fakt, ato gjithashtu kanë madhësi pak më të ndryshme, por ato duhet të jenë aq afër sa të përshtaten brenda hapësirës së lejuar). Le ta quajmë gjerësinë më të shkurtër të pulsit "0" dhe atë më të gjatë "1".

Merrni një nga brirët që erdhi me servo -në tuaj dhe shkurtojini krahët nga ai duke përdorur tela ose ndonjë mjet tjetër të përshtatshëm - siç shihet në foton e mësipërme. Hapi shumë i mirë i ingranazheve në servo është shumë i vështirë për tu printuar 3D, kështu që ne në vend të kësaj do të përdorim qendrën e njërit prej brirëve të servo për këtë. Vendoseni bririn e servo të shkurtuar në njërën prej servove. Tani futeni servo -n, vendoseni në pozicionin e tij "1" dhe lëreni në atë pozicion.

Ju me siguri keni vënë re se strumbullari pa pikë ka një zgavër cilindrike në të që është sa madhësia e kokës së ingranazhit në servo tuaj-dhe disi më e vogël se diametri i qendrës së bririt tuaj të shkurtuar. Merrni hekurin e saldimit të nxehtë dhe rrotullojeni butësisht brenda vrimës në strumbullar dhe gjithashtu në pjesën e jashtme të qendrës së bririt të shkurtuar; as nuk po përpiqeni të shkriheni, por vetëm për t'i bërë ato të buta. Tjetra, duke mbajtur servo, shtyjeni qendrën e bririt drejt në vrimën në strumbullar me servo në atë që duhet të jetë pozicioni "1" - me pjesën e brendshme që tregon "1" kur servo është pozicionuar siç do të ishte kur duke pushuar në zgavrën në pjesën e jashtme të pasme.

Ju duhet ta shihni PLA -në të paloset pak në vetvete ndërsa shtyni bririn e shkurtuar, duke krijuar një lidhje shumë të fortë me bririn. Lëreni lidhjen të ftohet pak dhe më pas tërhiqeni servon. Briri tani duhet ta lidhë pjesën mjaft mirë në mënyrë që servo të mund ta rrotullojë lirshëm pjesën pa ndonjë lojë të rëndësishme.

Hapi 7: Mblidhni çdo Qubit

Tani jeni gati për të ndërtuar kubitët. Vendoseni pjesën e jashtme të pasme në një sipërfaqe të sheshtë (p.sh., një tavolinë) të tillë që zgavra e servo -së të jetë e ngritur lart dhe stenda të jetë e varur mbi skajin e sipërfaqes, kështu që pjesa e jashtme e pasme është ulur e sheshtë. Tani merrni servo dhe pjesën e brendshme të ngjitur nga briri dhe futini ato në pjesën e pasme të jashtme. Shtypni kabllon nga servo në kanalin për të.

Pasi gjithçka që është ulur të skuqet, vendoseni pjesën e jashtme të përparme mbi montimin. Lidhni servo-n dhe përdorni atë gjatë mbajtjes së montimit së bashku për t'u siguruar që asgjë nuk lidhet ose nuk është në rregull. Tani ose përdorni shirit VHB ose përdorni një hekur bashkues për të bashkuar pjesën e përparme dhe të pasme të jashtme së bashku.

Përsëritni këto hapa për secilin qubit.

Hapi 8: Montimi

Baza e vogël e secilit qubit ka një prerje në pjesën e pasme që do t'ju lejojë të drejtoni kabllon servo nga mbrapa për t'u lidhur me kontrolluesin tuaj, dhe baza është mjaft e gjerë që secili qubit të jetë i qëndrueshëm në vetvete, kështu që thjesht mund ta vendosni kabllot shtesë në secilën servo dhe drejtojini ato të shpërndara në një tavolinë ose sipërfaqe tjetër të sheshtë. Sidoqoftë, kjo do të tregojë telat që i lidhin ato….

Ndjej se të shohësh tela shkatërron iluzionin e veprimit drithërues në distancë, kështu që preferoj t'i fsheh telat plotësisht. Për ta bërë këtë, gjithçka që na nevojitet është një platformë montimi me një vrimë nën çdo qubit që është mjaft e madhe për të kaluar lidhësin e kabllos servo. Sigurisht, ne do të donim që çdo qubit të qëndrojë aty ku është vendosur, kështu që ka tre vrima të prera 1/4-20 në bazë. Qëllimi është të përdorim atë qendror, por të tjerët mund të përdoren për t'i bërë gjërat më të sigurta ose nëse filli qendror zhvishet nga shtrëngimi i tepërt. Kështu, njëri shpon dy vrima të vendosura ngushtë në bazë për secilin qubit: njëra për të kaluar një fije vidhos 1/4-20, tjetra për të kaluar lidhësin e kabllos servo.

Meqenëse druri 3/4 "është më i zakonshmi, ju ndoshta do të dëshironi ta përdorni atë për pjesën e sipërme të bazës-siç bëra unë. Në atë rast, do t'ju duhet një vidë 1/4-20 ose rrufe në qiell afërsisht 1.25" e gjate. Mund t'i blini në çdo dyqan harduerësh me një kosto prej rreth 1 dollarë për gjashtë. Përndryshe, ju mund t'i printoni 3D … por unë rekomandoj t'i printoni ato një nga një nëse i printoni sepse kjo minimizon defektet në fijen e vidës së hollë.

Natyrisht, dimensionet e montimit nuk janë kritike, por ato do të përcaktojnë gjatësinë e kabllove shtesë që ju nevojiten. KREQC u bë si dy rreshta prej tre kubitësh, në mënyrë që montimi të futet në një valixhe me dorë, kështu e sollëm në ekspozitën tonë kërkimore IEEE/ACM SC18.

Hapi 9: Marko atë

Si hapin e fundit, mos harroni të etiketoni kompjuterin tuaj kuantik!

Ne shtypëm 3D një pllakë emri në të zezë në ar, e cila më pas ishte fiksuar në pjesën e përparme prej druri të bazës. Mos ngurroni të etiketoni tuajin me mjete të tjera, të tilla si printimi 2D i imazhit të bashkangjitur të pllakës së emrit PDF me një printer lazer ose inkjet. Gjithashtu nuk do të ishte keq të etiketoni secilin qubit me pozicionin e tij, veçanërisht nëse bëheni shumë krijues për mënyrën se si i rregulloni qubitët në bazë.

Ju gjithashtu mund të kënaqeni duke shpërndarë çelësa kyç të shtypur 3D qubit; ata nuk janë të ngatërruar dhe as të motorizuar, por rrotullohen lirshëm kur i godisni dhe bëni një kujtesë të shkëlqyeshme për një demonstrim të KREQC.