KREQC: Kentucky rotačně emulovaný kvantový počítač: 9 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Říkáme tomu „potok“- hláskovaný KREQC: Kentucky's Rotationally Emulated Quantum Computer. Ano, tento návod vám ukáže, jak si vyrobit vlastní fungující kvantový počítač, který spolehlivě pracuje při pokojové teplotě s minimální dobou cyklu asi 1/2 sekundy. Celkové náklady na stavbu jsou 50–100 $.

Na rozdíl od kvantového počítače IBM Q zobrazeného na druhé fotografii KREQC nepoužívá přímo jevy kvantové fyziky k implementaci svých plně zapletených qubitů. Předpokládám, že bychom mohli tvrdit, že vše využívá kvantovou fyziku, ale ve skutečnosti jsou to jen konvenčně řízená serva, která implementují Einsteinovu „strašidelnou akci na dálku“v KREQC. Na druhé straně tato serva umožňují KREQC emulovat chování poměrně dobře, takže je operace snadno viditelná a vysvětlitelná. Když mluvíme o vysvětlení….

Krok 1: Co je to kvantový počítač?

Než poskytneme naše vysvětlení, zde je odkaz na pěkné vysvětlení z dokumentace IBM Q Experience. Teď si dáme záběr….

Není pochyb o tom, že jste slyšeli více než trochu (myšleno slovní hříčka) o tom, jak qubits propůjčuje magické výpočetní schopnosti kvantovým počítačům. Základní myšlenka je, že zatímco obyčejný bit může být buď 0 nebo 1, qubit může být 0, 1 nebo neurčitý. Samo o sobě se to nezdá nijak zvlášť užitečné - a s pouhým jedním qubitem to není - ale více zapletených qubitů má poměrně užitečnou vlastnost, že jejich neurčité hodnoty mohou současně pokrývat všechny možné kombinace bitových hodnot. Například 6 bitů může mít libovolnou jednu hodnotu od 0 do 63 (tj. 2^6), zatímco 6 qubitů může mít neurčitou hodnotu, což jsou všechny hodnoty od 0 do 63 s potenciálně odlišnou pravděpodobností spojenou s každou možnou hodnotou. Když je načtena hodnota qubitu, stanou se jeho hodnoty a všechny qubity do něj zapletené, přičemž jednotlivá hodnota načtená pro každý qubit je vybrána náhodně v souladu s pravděpodobnostmi; pokud je neurčitá hodnota 75% 42 a 25% 0, pak přibližně 3 z každých čtyřnásobného provedení kvantového výpočtu, výsledek bude 42 a jindy bude 0. Klíčovým bodem je, že kvantový výpočet vyhodnotí všechny možné hodnoty a vrací jednu (potenciálně více) platných odpovědí, zkouší exponenciálně mnoho hodnot současně - a to je ta vzrušující část. Na to, co dokáže jeden 6bitový systém, by bylo zapotřebí 64 6bitových systémů.

Každý ze 6 plně zapletených qubitů KREQC může mít rotační hodnotu 0, 1 nebo neurčitou. Rovnoměrně neurčitá hodnota je reprezentována všemi qubity ve vodorovné poloze. Jak kvantový výpočet pokračuje, mění se pravděpodobnosti různých hodnot - v KREQC jsou reprezentovány kolísáním jednotlivých qubitů a předpokládáním statistických pozic odrážejících pravděpodobnost hodnot. Nakonec je kvantový výpočet ukončen měřením zapletených qubitů, které sbalí neurčitou hodnotu do plně určené sekvence 0 s a 1 s. Ve výše uvedeném videu vidíte, jak KREQC vypočítává „odpověď na konečnou otázku života, vesmíru a všeho“- jinými slovy 42… což je v binárním čísle 101010, 101 v zadní řadě qubits a 010 v přední.

S kvantovými počítači jsou samozřejmě problémy a KREQC je také trpí. Je zřejmé, že opravdu chceme miliony qubitů, nejen 6. Je však také důležité si uvědomit, že kvantové počítače implementují pouze kombinatorickou logiku - na rozdíl od toho, co my počítačoví inženýři nazýváme stavový stroj. V zásadě to znamená, že kvantový stroj sám o sobě je méně schopný než Turingův stroj nebo konvenční počítač. V případě KREQC implementujeme stavové stroje řízením KREQC pomocí konvenčního počítače k provádění posloupnosti kvantových výpočtů, jeden na návštěvu státu při provádění stavového stroje.

Pojďme tedy postavit kvantový počítač pro pokojovou teplotu!

Krok 2: Nástroje, díly a materiály

KREQC toho není mnoho, ale budete potřebovat nějaké díly a nástroje. Začněme s nástroji:

• Přístup ke spotřebitelské 3D tiskárně. Bylo by možné vyrábět qubity KREQC pomocí CNC frézky a dřeva, ale je mnohem jednodušší a úhlednější je vyrobit vytlačováním plastu PLA. Největší 3D vytištěná část je 180x195x34mm, takže věci jsou mnohem snazší, pokud má tiskárna dostatečně velký objem tisku, aby jej bylo možné vytisknout v jednom kuse.
• Páječka. Používá se pro svařování dílů PLA.
• Nůžky na drát nebo něco jiného, co může řezat malé plastové díly o tloušťce 1 mm (rohy serva).
• Volitelně dřevoobráběcí nástroje pro výrobu dřevěné základny pro montáž qubitů. Základna není nezbytně nutná, protože každý bit má vestavěný stojan, který by umožnil vyvedení ovládacího kabelu ze zad.

Nepotřebujete ani mnoho dílů ani materiálů:

• PLA pro vytváření qubits. Pokud by byl vytištěn na 100%, stále by to bylo méně než 700 gramů PLA na qubit; při rozumnější 25% náplni by 300 gramů byl lepší odhad. Bylo tedy možné vyrobit 6 qubitů pomocí pouze 2 kg cívky za materiální náklady přibližně 15 USD.
• Jedno mikro servo SG90 na qubit. Ty jsou snadno dostupné za méně než 2 $ za kus. Určitě si pořiďte mikro serva, která určují polohovací operaci o 180 stupňů-nechcete 90stupňová ani nechcete, aby byla navržena pro plynulé otáčení při proměnné rychlosti.
• Deska řadiče serva. Existuje mnoho možností, včetně použití Arduina, ale velmi snadnou volbou je 6-kanálový USB servo ovladač Pololu Micro Maestro USB, který stojí méně než 20 USD. Existují další verze, které zvládnou 12, 18 nebo 24 kanálů.
• Prodlužovací kabely pro SG90 podle potřeby. Kabely u SG90 se poněkud liší v délce, ale budete potřebovat qubits, aby byly odděleny minimálně asi 6 palci, takže budou potřeba prodlužovací kabely. Ty jsou snadno pod 0,50 $ za kus, v závislosti na délce.
• 5V napájecí zdroj pro Pololu a SG90. Pololu je normálně napájen přes USB připojení k notebooku, ale může být rozumné mít samostatné napájení pro serva. Použil jsem nástěnnou bradavici 5V 2,5A, kterou jsem měl kolem, ale nové 3A lze zakoupit za méně než 5 $.
• Volitelně oboustranná páska, která drží věci pohromadě. Páska VHB (Very-High Bond) funguje dobře, když drží vnější plášť každého qubitu pohromadě, přestože svařování funguje ještě lépe, pokud ho nikdy nebudete muset rozebírat.
• Volitelně dřevo a dokončovací potřeby pro výrobu podkladu. Ten náš byl vyroben ze zbytků obchodu a drží ho pohromadě sušenkové spoje, přičemž konečnou úpravou je několik vrstev čirého polyuretanu.

Celkově řečeno, 6kbitový KREQC, který jsme postavili, stál zásoby asi 50 dolarů.

Krok 3: 3D-vytištěné díly: vnitřní část

Všechny návrhy 3D vytištěných dílů jsou volně dostupné jako Thing 3225678 na Thingiverse. Okamžitě si pořiďte svou kopii… počkáme….

Ach, tak brzy zpět? OK. Skutečný „bit“v qubitu je jednoduchá část, která je vytištěna ve dvou kusech, protože je snazší vypořádat se se svařováním dvou kusů dohromady, než použít podpěry k tisku vyvýšeného písma na obou stranách jedné části.

Doporučuji to vytisknout barvou, která kontrastuje s vnější částí qubitu - například černou. V naší verzi jsme vytiskli vrchní 0,5 mm bíle, abychom získali kontrast, ale to vyžadovalo změnu vlákna. Pokud to raději neděláte, můžete vždy jen namalovat vyvýšené povrchy „1“a „0“. Obě tyto části se tisknou bez rozpětí, a tedy bez podpěr. Použili jsme 25% výplň a výšku vytlačování 0,25 mm.

Krok 4: 3D-vytištěné díly: vnější část

Vnější část každého qubitu je trochu záludnější tisk. Za prvé, tyto kusy jsou velké a ploché, a proto podléhají spoustě zvedání z tiskové postele. Normálně tisknu na horké sklo, ale to vyžadovalo další tisk na horkou modrou malířskou pásku, aby se zabránilo deformaci. Opět platí, že 25% výplň a 0,25 mm výška vrstvy by měly být víc než dost.

Tyto části také mají rozpětí. Dutina, která drží servo, má rozpětí na obou stranách a je důležité, aby rozměry této dutiny byly správné - proto musí tisknout s podporou. Kanál pro vedení kabelů je pouze na silnější zadní straně a je konstruován tak, aby se zabránilo jakémukoli rozpětí, s výjimkou malého bitu na samém základně. Vnitřek základny na obou kusech má technicky nepodporované rozpětí pro vnitřní křivku základny, ale nevadí, když se ta část tisku trochu prohne, takže tam podporu nepotřebujete.

Opět platí, že volba barev, která je v kontrastu s vnitřními částmi, způsobí, že „Q“qubits bude viditelnější. Ačkoli jsme potiskli přední část s částmi „AGGREGATE. ORG“a „UKY. EDU“bílou PLA na modrém pozadí PLA, může se vám zdát atraktivnější vzhled s nižším kontrastem, pokud jde o barvu těla. Vážíme si toho, že jste je tam nechali, abyste divákům připomněli, odkud design pochází, ale není třeba tyto adresy URL vizuálně křičet.

Jakmile jsou tyto části vytištěny, odstraňte veškerý podpůrný materiál a ujistěte se, že servo sedí se dvěma kusy drženými pohromadě. Pokud se nevejde, pokračujte ve vybírání podpůrného materiálu. Je to docela těsný střih, ale měl by umožnit, aby byly obě poloviny přitlačeny k sobě. Všimněte si, že v tisku záměrně nejsou žádné zarovnávací struktury, protože i mírné pokřivení by způsobilo, že zabrání sestavení.

Krok 5: Sestavte vnitřní část

Vezměte dvě vnitřní části a zarovnejte je zády k sobě tak, aby špičatý čep na levé straně „1“odpovídal špičatému čepu na „0“. V případě potřeby je můžete dočasně držet pohromadě oboustrannou páskou, ale klíčem je použít k jejich svařování horkou páječku.

Stačí svařovat tam, kde se okraje spojí. Udělejte to tak, že nejprve přilepíte svařování pomocí páječky k tažení PLA společně přes hranu mezi dvěma kusy na několika místech. Poté, co jsou díly spojeny dohromady, spusťte páječku kolem švu a vytvořte trvalý svar. Tyto dva kusy by měly tvořit část zobrazenou na obrázku výše.

Vhodnost této svařované části můžete zkontrolovat vložením do zadní vnější části. Budete jej muset mírně naklonit, aby se špičatý čep dostal na stranu, která nemá dutinu pro servo, ale jakmile se dostane dovnitř, měla by se volně otáčet.

Krok 6: Orientujte servo a nastavte klakson

Aby to fungovalo, potřebujeme známou přímou korespondenci mezi řízením serva a polohou rotace serva. Každé servo má minimální a maximální šířku impulsu, na kterou bude reagovat. Budete je muset empiricky objevit pro vaše serva, protože počítáme s plným pohybem o 180 stupňů a různí výrobci vyrábějí SG90 s mírně odlišnými hodnotami (ve skutečnosti mají také mírně odlišné velikosti, ale měly by být dostatečně blízko vejde do povoleného prostoru). Nazvěme nejkratší šířku impulsu „0“a nejdelší „1“.

Vezměte jeden z rohů, který byl dodán se servem, a ořízněte křídla pomocí řezačů drátu nebo jiného vhodného nástroje - jak je vidět na fotografii výše. Velmi jemná rozteč převodů na servu je velmi obtížná pro 3D tisk, takže místo toho použijeme střed jednoho ze servorohů. Nasaďte ořezaný servo roh na jedno ze serv. Nyní zapojte servo, nastavte jej do polohy „1“a nechte ho v této poloze.

Pravděpodobně jste si všimli, že špičatý čep má v sobě válcovou dutinu, která je velká přibližně jako hlava převodovky na vašem servu-a poněkud menší než průměr vašeho ořezaného středu rohu. Vezměte horkou páječku a jemně s ní vířte uvnitř otvoru v čepu a také kolem vnějšku oříznutého středu rohu; nesnažíte se ani roztavit, ale jen aby byly měkké. Dále držte servo a zatlačte střed houkačky přímo do otvoru v čepu se servem v poloze, která by měla být v poloze „1“- vnitřní část ukazuje „1“, když je servo umístěno tak, jak by bylo spočívající v dutině ve vnější zadní části.

Když zatlačíte upravený roh dovnitř, měli byste vidět, jak se PLA přeloží a vytvoří velmi pevné spojení s rohem. Vazbu nechte trochu vychladnout a poté vytáhněte servo. Roh by nyní měl spojit část dostatečně dobře, aby servo mohlo část volně otáčet bez výrazné vůle.

Krok 7: Sestavte každý Qubit

Nyní jste připraveni vytvořit qubits. Vnější zadní část položte na rovný povrch (např. Stůl) tak, aby dutina serva směřovala nahoru a stojan visel přes povrchovou hranu, aby vnější zadní část seděla rovně. Nyní vezměte servo a vnitřní část připevněnou k rohu a vložte je do zadní vnější části. Zatlačte kabel ze serva do kanálu pro něj.

Jakmile je vše v jedné rovině, položte přední vnější část na sestavu. Zapojte servo a ovládejte jej, zatímco držíte sestavu pohromadě, abyste se ujistili, že nic nesvazuje nebo není zarovnané. Nyní buď použijte pásku VHB, nebo pomocí páječky svařte vnější přední a zadní část dohromady.

Opakujte tyto kroky pro každý qubit.

Krok 8: Montáž

Malá základna každého qubitu má v zadní části zářez, který vám umožní vyvést kabel serva ven pro připojení k vašemu ovladači, a základna je dostatečně široká, aby byl každý qubit stabilní sám o sobě, takže můžete jednoduše prodlužovací kabely na každém servu a položte je po stole nebo jiném rovném povrchu. To však ukáže vodiče, které je spojují….

Mám pocit, že vidět dráty ničí iluzi strašidelné akce na dálku, takže jsem raději dráty úplně schoval. K tomu nám stačí montážní platforma s otvorem pod každým qubitem, který je dostatečně velký na to, aby jím mohl projít konektor servo kabelu. Samozřejmě bychom chtěli, aby každý qubit zůstal tam, kde je, takže v základně jsou tři závitové otvory 1/4-20. Záměrem je použít středový, ale ostatní lze použít k zajištění bezpečnějších věcí nebo pokud se centrální nit odstraní přetažením. Jeden tedy vyvrtá dva úzce rozmístěné otvory v základně pro každý qubit: jeden pro průchod šroubovým závitem 1/4-20, druhý pro provlečení konektoru kabelu serva.

Protože je nejběžnější dřevo 3/4 ", budete jej pravděpodobně chtít použít na horní část základny-jako já. V takovém případě budete potřebovat šroub nebo šroub 1/4-20 přibližně 1,25" dlouho. Můžete si je koupit v každém železářství za cenu kolem 1 $ za šest. Alternativně je můžete vytisknout 3D … ale pokud je tisknete, doporučuji je tisknout po jednom, protože to minimalizuje vady jemného závitu šroubu.

Rozměry držáku samozřejmě nejsou rozhodující, ale budou určovat délky prodlužovacích kabelů, které budete potřebovat. KREQC byl proveden jako dvě řady po třech qubitech, aby se držák vešel do příručního kufru, a tak jsme jej přinesli do naší výzkumné výstavy IEEE/ACM SC18.

Krok 9: Značka

Jako poslední krok nezapomeňte označit svůj kvantový počítač!

3D jsme vytiskli jmenovku v černé barvě na zlato, která byla poté připevněna k dřevěné přední části základny. Nebojte se označit své jiné prostředky, například 2D tisk připojeného obrázku na štítku PDF pomocí laserové nebo inkoustové tiskárny. Také by neškodilo označit každý qubit svou polohou, zvláště pokud budete příliš kreativní ohledně toho, jak uspořádáte qubity na základně.

Také by vás mohlo bavit rozdávat 3D klíčenky qubit; nejsou zapleteni ani nejsou motorizováni, ale volně se točí, když na ně foukáte, a skvěle si tak odnesete domů připomínku demonstrace KREQC.