KREQC: Kentuki rotācijas emulētais kvantu dators: 9 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Mēs to saucam par "līci" - uzrakstīts KREQC: Kentuki rotācijas emulētais kvantu dators. Jā, šī pamācība parādīs, kā izveidot savu darba kvantu datoru, kas uzticami darbojas istabas temperatūrā ar minimālo cikla laiku aptuveni 1/2 sekundes. Kopējās būvniecības izmaksas ir USD 50–100.

Atšķirībā no IBM Q kvantu datora, kas parādīts otrajā fotoattēlā, KREQC tieši neizmanto kvantu fizikas parādības, lai īstenotu pilnībā sapinušos kubitus. Nu, es domāju, ka mēs varētu apgalvot, ka viss izmanto kvantu fiziku, bet tas tiešām ir tikai tradicionāli kontrolēti servo, kas KREQC īsteno Einšteina "biedējošo darbību attālumā". No otras puses, šie servi ļauj KREQC diezgan labi atdarināt uzvedību, padarot darbību viegli redzamu un izskaidrojamu. Par paskaidrojumiem runājot ….

1. darbība: kas ir kvantu dators?

Pirms paskaidrojuma sniegšanas šeit ir saite uz jauku skaidrojumu no IBM Q Experience dokumentācijas. Tagad mēs uzņemsim savu kadru …

Bez šaubām, jūs esat dzirdējuši vairāk nekā mazliet (domāts vārdu salikums) par to, kā kubīti kvantu datoros piešķir burvju skaitļošanas spējas. Pamatideja ir tāda, ka, lai gan parasts bits var būt 0 vai 1, kubits var būt 0, 1 vai nenoteikts. Tas pats par sevi nešķiet īpaši noderīgi - un tikai ar vienu kubitu tā nav -, bet vairākiem sapinušiem kubitiem ir diezgan noderīga īpašība, ka to nenoteiktās vērtības var vienlaikus aptvert visas iespējamās bitu vērtību kombinācijas. Piemēram, 6 bitiem var būt viena vērtība no 0 līdz 63 (t.i., 2^6), bet 6 kubitiem var būt nenoteikta vērtība, kas ir visas vērtības no 0 līdz 63 ar potenciāli atšķirīgu varbūtību, kas saistīta ar katru iespējamo vērtību. Izlasot kubita vērtību, tiek noteiktas tā un visu ar to sapīto kubitu vērtības, katrai kubītei nolasītā viena vērtība tiek nejauši izvēlēta saskaņā ar varbūtībām; ja nenoteiktā vērtība ir 75% 42 un 25% 0, tad aptuveni 3 no katrām četrām reizēm, kad tiek veikts kvantu aprēķins, rezultāts būs 42, bet pārējās reizes - 0. Galvenais ir tas, ka tiek novērtēts kvantu aprēķins visas iespējamās vērtības un atgriež vienu (no potenciāli vairākām) derīgām atbildēm, vienlaikus izmēģinot eksponenciāli daudzas vērtības - un tā ir aizraujošā daļa. Vajadzētu 64 6 bitu sistēmas, lai paveiktu to, ko spēj viena 6 kubitu sistēma.

Katram no KREQC 6 pilnībā sapītajiem kubitiem rotācijas vērtība var būt 0, 1 vai nenoteikta. Vienlīdz iespējamo nenoteikto vērtību attēlo visi kubiti, kas atrodas horizontālā stāvoklī. Turpinot kvantu aprēķinu, mainās dažādu vērtību varbūtības, kuras KREQC attēlo individuālie kubiti, kas svārstās un pieņem statistiskās pozīcijas, kas atspoguļo vērtību varbūtību. Galu galā kvantu aprēķins tiek pārtraukts, izmērot sapinušos kubitus, kas nenosakāmo vērtību sabojā pilnībā noteiktā 0s un 1s secībā. Iepriekš redzamajā videoklipā redzat, kā KREQC aprēķina "atbildi uz galīgo jautājumu par dzīvi, Visumu un visu" - citiem vārdiem sakot, 42 … kas binārajā skaitlī ir 101010, 101 - kubitu aizmugurējā rindā un 010 priekša.

Protams, ir dažas problēmas ar kvantu datoriem, un arī KREQC cieš no tām. Acīmredzams ir tas, ka mēs patiešām vēlamies miljoniem kubitu, nevis tikai 6. Tomēr ir arī svarīgi atzīmēt, ka kvantu datori īsteno tikai kombinatorisko loģiku - pretēji tam, ko mēs, datoru inženieri, saucam par valsts mašīnu. Būtībā tas nozīmē, ka kvantu mašīna pati par sevi ir mazāk spējīga nekā Tjūringa mašīna vai parasts dators. KREQC gadījumā mēs ieviešam stāvokļa mašīnas, kontrolējot KREQC, izmantojot parasto datoru, lai veiktu kvantu aprēķinu secību, vienu no valsts apmeklējumiem valsts mašīnas izpildē.

Tātad, sāksim veidot istabas temperatūras kvantu datoru!

2. darbība: instrumenti, detaļas un materiāli

KREQC nav daudz, taču jums būs nepieciešamas dažas detaļas un rīki. Sāksim ar instrumentiem:

• Piekļuve patērētāju klases 3D printerim. Būtu iespējams izgatavot KREQC kubitus, izmantojot CNC frēzmašīnu un koku, taču tos ir daudz vieglāk un kārtīgāk izgatavot, izspiežot PLA plastmasu. Lielākā 3D drukātā daļa ir 180x195x34mm, tāpēc viss ir daudz vieglāk, ja printerim ir pietiekami liels drukas apjoms, lai to izdrukātu vienā gabalā.
• Lodāmurs. Izmantojams PLA detaļu metināšanai.
• Stiepļu griezēji vai kaut kas cits, ar ko var sagriezt nelielas 1 mm biezas plastmasas detaļas (servo ragus).
• Pēc izvēles kokapstrādes instrumenti koka pamatnes izgatavošanai kubitu montāžai. Bāze nav stingri nepieciešama, jo katram uzgalim ir iebūvēts statīvs, kas ļautu vadības kabelim izvadīt aizmuguri.

Jums nav vajadzīgas arī daudzas detaļas un materiāli:

• PLA kubitu izgatavošanai. Ja drukātu ar 100% aizpildījumu, tas joprojām būtu mazāks par 700 gramiem PLA uz kubitu; ar saprātīgāku 25% pildījumu 300 grami būtu labāks novērtējums. Tādējādi 6 kubitus var izgatavot, izmantojot tikai vienu 2 kg spoli, un materiālās izmaksas ir aptuveni 15 USD.
• Viens SG90 mikro servo uz kubitu. Tie ir viegli pieejami par cenu mazāk par 2 ASV dolāriem. Noteikti iegādājieties mikro servos, kas nosaka 180 grādu pozicionēšanas darbību-jūs nevēlaties 90 grādu vai arī tādus, kas paredzēti nepārtrauktai rotācijai ar mainīgu ātrumu.
• Servo vadības pults. Ir daudz iespēju, ieskaitot Arduino izmantošanu, taču ļoti vienkārša izvēle ir Pololu Micro Maestro 6 kanālu USB servo kontrolieris, kas maksā mazāk par 20 USD. Ir arī citas versijas, kas var apstrādāt 12, 18 vai 24 kanālus.
• Pēc nepieciešamības SG90 pagarinātāji. SG90 kabeļu garums ir nedaudz atšķirīgs, taču jums būs nepieciešami kubiti, lai tie būtu vismaz 6 collu attālumā, tāpēc būs nepieciešami pagarinājuma kabeļi. Katrs no tiem ir zem 0,50 USD atkarībā no garuma.
• 5V barošanas avots Pololu un SG90. Parasti Pololu tiek darbināts, izmantojot USB savienojumu ar klēpjdatoru, taču var būt prātīgi, ja servos ir atsevišķs barošanas avots. Es izmantoju 5V 2.5A sienas kārpu, kas man bija apkārt, bet jaunas 3A var iegādāties par mazāk nekā 5 USD.
• Pēc izvēles divpusēja lente, lai lietas turētu kopā. VHB (Very-High Bond) lente labi darbojas, lai kopā noturētu katra kubita ārējo apvalku, lai gan metināšana darbojas vēl labāk, ja to nekad nevajag izjaukt.
• Pēc izvēles koka un apdares materiāli pamatnes izgatavošanai. Mūsējais tika izgatavots no veikala atgriezumiem, un to satur kopā cepumu savienojumi, un gala apdarei tika pievienoti vairāki caurspīdīga poliuretāna slāņi.

Kopumā mūsu uzbūvētais 6 kubitu KREQC piegādes izmaksas bija aptuveni 50 USD.

3. darbība: 3D drukātās daļas: iekšējā daļa

Visi 3D drukātie detaļu dizaini ir brīvi pieejami vietnē Thingiverse kā Thing 3225678. Iet pēc sava eksemplāra tagad … mēs gaidīsim …

Ak, tik drīz atpakaļ? Labi. Faktiskais "bits" kubitā ir vienkārša daļa, kas tiek drukāta divos gabalos, jo ir vieglāk tikt galā ar divu gabalu metināšanu kopā, nekā izmantot balstus, lai drukātu paceltus burtus vienas daļas abās pusēs.

Es iesaku to izdrukāt krāsā, kas kontrastē ar kubita ārējo daļu - piemēram, melnā krāsā. Mūsu versijā augšējo 0,5 mm iespiedām baltā krāsā, lai iegūtu kontrastu, bet tam bija jāmaina kvēldiegs. Ja nevēlaties to darīt, vienmēr varat vienkārši nokrāsot “1” un “0” paceltās virsmas. Abas šīs daļas drukā bez laidumiem un līdz ar to arī bez balstiem. Mēs izmantojām 25% aizpildījumu un 0,25 mm ekstrūzijas augstumu.

4. solis: 3D drukātās detaļas: ārējā daļa

Katra kubita ārējā daļa ir nedaudz sarežģītāka. Pirmkārt, šie gabali ir lieli un plakani, tāpēc tie var tikt pacelti no drukas gultas. Es parasti drukāju uz karsta stikla, taču, lai izvairītos no deformācijas, tiem bija nepieciešama papildu drukāšana uz karstās zilās gleznotāja lentes. Atkal 25% piepildījumam un 0,25 mm slāņa augstumam vajadzētu būt vairāk nekā pietiekami.

Abām šīm daļām ir arī laidumi. Dobumam, kurā atrodas servo, ir laidumi abās pusēs, un ir ļoti svarīgi, lai šīs dobuma izmēri būtu pareizi - tādēļ tai ir jādrukā ar atbalstu. Kabeļu novietošanas kanāls atrodas tikai biezākajā aizmugurējā pusē un ir veidots tā, lai izvairītos no jebkādiem laidumiem, izņemot nelielu bitu pašā pamatnē. Pamatnes iekšpusē abos gabalos tehniski ir neatbalstīts pamatnes iekšējās līknes laidums, taču nav svarīgi, vai šī drukas daļa nedaudz nokrīt, tāpēc jums nav nepieciešams atbalsts.

Atkal krāsu izvēle, kas kontrastē ar iekšējām daļām, padarīs kubītu "Q" redzamāku. Lai gan mēs drukājām priekšpusi ar detaļām "AGGREGATE. ORG" un "UKY. EDU" baltā PLA krāsā uz zilā PLA fona, jūs varētu šķist pievilcīgāks ar zemāku kontrastu. Mēs pateicamies, ka atstājat tos tur, lai atgādinātu skatītājiem, no kurienes nācis dizains, taču nav nepieciešams vizuāli kliegt šos URL.

Kad šīs detaļas ir izdrukātas, noņemiet visus atbalsta materiālus un pārliecinieties, ka servo ir saderīgs ar abiem kopā esošajiem gabaliem. Ja tas neder, turpiniet izvēlēties atbalsta materiālu. Tas ir diezgan cieši pieguļošs, taču tam vajadzētu ļaut abas puses saspiest vienā līmenī. Ņemiet vērā, ka izdrukā apzināti nav izlīdzināšanas struktūru, jo pat neliela deformācija neļautu tām salikties.

5. darbība: salieciet iekšējo daļu

Paņemiet abas iekšējās daļas un izlīdziniet tās viena pret otru tā, lai smailais pagrieziens "1" kreisajā pusē sakristu ar smailo šarnīru uz "0". Ja vēlaties, varat tos īslaicīgi turēt kopā ar divpusēju lenti, bet galvenais ir izmantot karstu lodāmuru, lai tos sametinātu.

Pietiek metināt vietās, kur malas sakrīt. Dariet to, vispirms metinot, izmantojot lodāmuru, lai vilktu PLA pāri malai starp abiem gabaliem vairākās vietās. Kad detaļas ir salīmētas kopā, palaidiet lodāmuru ap šuvi, lai izveidotu pastāvīgu metinājumu. Abiem gabaliem vajadzētu būt daļai, kas parādīta attēlā iepriekš.

Jūs varat pārbaudīt šīs metinātās daļas piemērotību, ievietojot to aizmugurējā ārējā daļā. Jums vajadzēs to nedaudz noliekt, lai smailais šarnīrsavienojums nonāktu tajā pusē, kurā nav servo dobuma, bet pēc tam tam vajadzētu brīvi griezties.

6. darbība: orientējiet servo un iestatiet ragu

Lai tas darbotos, mums ir jābūt zināmai tiešai atbilstībai starp servo vadību un servo rotācijas stāvokli. Katram servo ir minimālais un maksimālais impulsa platums, uz kuru tas reaģēs. Jums tie būs jāatklāj empīriski jūsu servos, jo mēs rēķināmies ar pilnu 180 grādu kustību, un dažādi ražotāji ražo SG90 ar nedaudz atšķirīgām vērtībām (patiesībā tiem ir arī nedaudz atšķirīgi izmēri, taču tiem jābūt pietiekami tuviem iekļaujas atļautajā vietā). Sauksim īsāko impulsa platumu "0" un garāko "1".

Paņemiet vienu no ragiem, kas tika piegādāts kopā ar jūsu servo, un nogrieziet spārnus, izmantojot stieples griezējus vai jebkuru citu piemērotu instrumentu - kā redzams iepriekš redzamajā fotoattēlā. Ļoti smalko pārnesumu pārnesumu uz servo ir ļoti grūti izdrukāt 3D, tāpēc mēs tā vietā izmantosim viena no servo ragu centru. Uzlieciet apgriezto servo ragu uz viena no servo. Tagad pievienojiet servo, iestatiet to pozīcijā "1" un atstājiet to šajā pozīcijā.

Jūs droši vien pamanījāt, ka šarnīram, kas nav smails, ir cilindrisks dobums, kas ir aptuveni jūsu servopārvades galvas izmērs-un nedaudz mazāks par jūsu apgrieztā raga centra diametru. Paņemiet karsto lodāmuru un viegli virpiniet to šarnīra cauruma iekšpusē, kā arī ap apgrieztā raga centra ārpusi; jūs arī nemēģināt izkausēt, bet tikai, lai tie kļūtu mīksti. Tālāk, turot servo, iebīdiet ragu centru taisni šarnīra atverē ar servo pozīcijā "1" - iekšējai daļai parādot "1", kad servo ir novietots tā, kā tas būtu kas atrodas dobumā ārējā aizmugurējā daļā.

Spiežot apgriezto ragu, jums vajadzētu redzēt, kā PLA nedaudz saliecas uz sevis, radot ļoti stingru savienojumu ar ragu. Ļaujiet saitei nedaudz atdzist un pēc tam izvelciet servo. Tagad ragam vajadzētu pietiekami labi sasaistīt daļu, lai servo varētu brīvi griezties detaļā bez būtiskas spēles.

7. solis: salieciet katru Qubit

Tagad jūs esat gatavs veidot kubitus. Novietojiet ārējo aizmugurējo daļu uz līdzenas virsmas (piemēram, galda) tā, lai servo dobums būtu vērsts uz augšu, un statīvs karājas virs virsmas malas, lai ārējā aizmugurējā daļa būtu līdzena. Tagad paņemiet ragu piestiprināto servo un iekšējo daļu un ievietojiet tās aizmugurējā ārējā daļā. Nospiediet kabeli no servo tā kanālā.

Kad viss sēž vienā līmenī, novietojiet priekšējo ārējo daļu virs mezgla. Pievienojiet servo un darbiniet to, turot kopā agregātu, lai pārliecinātos, ka nekas nesaista vai nav izlīdzināts. Tagad izmantojiet VHB lenti vai izmantojiet lodāmuru, lai metinātu ārējo priekšējo un aizmugurējo daļu kopā.

Atkārtojiet šīs darbības katram kubitam.

8. solis: montāža

Katra kubita mazajai pamatnei ir griezums aizmugurē, kas ļautu jums izvadīt servo kabeli aizmugurē, lai izveidotu savienojumu ar kontrolieri, un pamatne ir pietiekami plata, lai katrs kubits būtu stabils pats par sevi, tāpēc jūs varētu vienkārši ievietot pagarinātājus uz katra servo un palaidiet tos pa galdu vai citu plakanu virsmu. Tomēr tas parādīs vadus, kas tos savieno …

Man šķiet, ka, redzot vadus, tiek sabojāta ilūzija par biedējošu darbību no attāluma, tāpēc es labprātāk slēpju vadus pilnībā. Lai to izdarītu, mums vajag tikai montāžas platformu ar caurumu zem katra kubita, kas ir pietiekami liels, lai izietu cauri servo kabeļa savienotājam. Protams, mēs vēlētos, lai katrs kubits paliktu vietā, kur tas ir ievietots, tāpēc pamatnē ir trīs 1/4-20 caurumi. Mērķis ir izmantot centrālo, bet pārējos var izmantot, lai padarītu lietas drošākas vai ja centrālais pavediens tiek noņemts, pārāk pievelkot. Tādējādi viens katram kubitam urbj divus cieši izvietotus caurumus pamatnē: viens iziet 1/4-20 skrūves vītni, otrs-servo kabeļa savienotāju.

Tā kā 3/4 collu koks ir visizplatītākais, jūs, iespējams, vēlēsities to izmantot pamatnes augšdaļai-kā es to darīju. Tādā gadījumā jums būs nepieciešama 1/4-20 skrūve vai skrūve aptuveni 1,25 garš. Jūs varat tos iegādāties jebkurā datortehnikas veikalā par aptuveni USD 1 par sešiem. Alternatīvi, jūs varat tos izdrukāt 3D formātā … bet es iesaku tos drukāt pa vienam, ja tos drukājat, jo tas samazina smalko skrūvju vītnes defektus.

Acīmredzot stiprinājuma izmēri nav kritiski, taču tie noteiks nepieciešamo pagarinājuma kabeļu garumu. KREQC tika veikts kā divas trīs kubitu rindas galvenokārt tāpēc, lai stiprinājums ietilptu rokas čemodānā, kā mēs to atvedām uz mūsu IEEE/ACM SC18 pētījumu izstādi.

9. solis: zīmolojiet to

Visbeidzot, neaizmirstiet iezīmēt savu kvantu datoru!

Mēs uz zelta izdrukājām datu plāksnīti melnā krāsā uz zelta, kas pēc tam tika piestiprināta pie pamatnes koka priekšpuses. Jūtieties brīvi marķēt savus, izmantojot citus līdzekļus, piemēram, pievienotā PDF datu plāksnītes attēla 2D drukāšanu ar lāzera vai tintes printeri. Tas arī nenāktu par ļaunu, apzīmējot katru kubitu ar savu pozīciju, it īpaši, ja esat pārāk radošs par to, kā sakārtot kubitus uz pamatnes.

Jūs varētu arī izbaudīt 3D izdrukātu kubitu atslēgu piekariņu izsniegšanu; tie nav sapinušies un nav motorizēti, taču brīvi griežas, kad uz tiem pūšat, un lieliski atgādina līdzi ņemšanu mājās par KREQC demonstrāciju.