KREQC: Kentuckyjev rotacijski emulirani kvantni računalnik: 9 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Imenujemo ga "potok" - napisano KREQC: Kentuckyjev rotacijsko posnemani kvantni računalnik. Da, ta navodila vam bodo pokazala, kako narediti lastni delujoči kvantni računalnik, ki zanesljivo deluje pri sobni temperaturi z najmanjšim časom cikla približno 1/2 sekunde. Skupni stroški gradnje so 50-100 USD.

Za razliko od kvantnega računalnika IBM Q, prikazanega na drugi fotografiji, KREQC ne uporablja neposredno pojavov kvantne fizike za izvajanje svojih popolnoma zapletenih kubitov. No, domnevam, da bi lahko trdili, da vse uporablja kvantno fiziko, vendar v resnici samo konvencionalno krmiljeni servomotorji izvajajo Einsteinovo "sablasno dejanje na daljavo" v KREQC. Po drugi strani ti servomotorji omogočajo, da KREQC precej dobro posnema vedenje, kar olajša ogled in razlago operacije. Ko že govorimo o razlagah …

1. korak: Kaj je kvantni računalnik?

Preden razložimo, tukaj je povezava do lepe razlage iz dokumentacije IBM Q Experience. Zdaj bomo posneli….

Nedvomno ste že slišali več kot nekaj besed o tem, kako kubiti dajejo čarobne računalniške sposobnosti kvantnim računalnikom. Osnovna ideja je, da je navaden bit lahko 0 ali 1, lahko pa je qubit 0, 1 ali nedoločen. Samo po sebi se to ne zdi posebej uporabno - in samo z enim kubitom ni - toda več zapletenih kubitov ima precej uporabno lastnost, da lahko njihove nedoločene vrednosti hkrati pokrivajo vse možne kombinacije bitnih vrednosti. Na primer, lahko ima 6 bitov poljubno eno vrednost od 0 do 63 (to je 2^6), medtem ko ima lahko 6 kubitov nedoločeno vrednost, ki je vse vrednosti od 0 do 63 s potencialno drugačno verjetnostjo, povezano z vsako možno vrednostjo. Ko se odčita vrednost kubita, se določijo njegove vrednosti in vsi kubiti, ki so z njim prepleteni, pri čemer je posamezna odčitana vrednost za vsak kubit naključno izbrana v skladu z verjetnostmi; če je nedoločena vrednost 75% 42 in 25% 0, potem bo približno 3 od vsakih štirih izvedenih kvantnih izračunov rezultat 42, drugič pa 0. Ključna točka je, da kvantni izračun oceni vse možne vrednosti in vrne enega (od potencialno več) veljavnih odgovorov, pri čemer poskuša eksponentno veliko vrednosti hkrati - in to je vznemirljiv del. Za to, kar zmore en 6-kubitni sistem, bi potrebovali 64 6-bitnih sistemov.

Vsak od 6 popolnoma zapletenih kubitov KREQC ima lahko rotacijsko vrednost 0, 1 ali nedoločeno. Enako verjetno nedoločeno vrednost predstavljajo vsi kubiti v vodoravnem položaju. Med nadaljevanjem kvantnega izračuna se verjetnosti različnih vrednosti spreminjajo - v KREQC jih predstavljajo posamezni kubiti, ki se nihajo in prevzemajo statistične položaje, ki odražajo verjetnosti vrednosti. Sčasoma se kvantni izračun konča z merjenjem zapletenih kubitov, ki nedoločeno vrednost zruši v popolnoma določeno zaporedje 0s in 1s. V zgornjem videu vidite KREQC, ki izračunava "odgovor na končno vprašanje življenja, vesolja in vsega" - z drugimi besedami, 42 … ki je v binarnem sistemu 101010, 101 v zadnji vrsti kubitov in 010 v spredaj.

Seveda obstaja nekaj težav s kvantnimi računalniki in tudi KREQC jih trpi. Očitno je, da res želimo milijone kubitov, ne le 6. Vendar pa je pomembno tudi omeniti, da kvantni računalniki izvajajo le kombinatorno logiko - v nasprotju s tem, kar računalniški inženirji imenujemo državni stroj. V bistvu to pomeni, da je kvantni stroj sam po sebi manj zmogljiv od Turingovega stroja ali običajnega računalnika. V primeru KREQC izvajamo državne stroje tako, da nadziramo KREQC s pomočjo običajnega računalnika za izvajanje zaporedja kvantnih izračunov, enega na obisk stanja pri izvajanju državnega stroja.

Torej, pojdimo k izdelavi kvantnega računalnika pri sobni temperaturi!

2. korak: Orodja, deli in materiali

KREQC ni veliko, vendar boste potrebovali nekaj delov in orodja. Začnimo z orodji:

• Dostop do 3D tiskalnika za potrošnike. Kbitite KREQC bi bilo mogoče izdelati s pomočjo CNC rezkalnega stroja in lesa, vendar je njihovo izdelavo z ekstrudiranjem PLA plastike veliko lažje in natančneje. Največji del, natisnjen s 3D, je 180 x 195 x 34 mm, zato so stvari veliko lažje, če ima tiskalnik dovolj velik obseg tiskanja, da ga natisne v enem kosu.
• Spajkalnik. Uporablja se za varjenje delov PLA.
• Rezalniki žice ali kaj drugega, kar lahko reže majhne plastične dele debeline 1 mm (servo rogovi).
• Po želji orodja za obdelavo lesa za izdelavo lesene podlage za montažo kubitov. Podstavek ni nujno potreben, ker ima vsak bit vgrajeno stojalo, ki bi krmilnemu kablu omogočilo, da vodi navzven.

Prav tako ne potrebujete veliko delov in materialov:

• PLA za izdelavo kubitov. Če bi bilo natisnjeno pri 100% polnjenosti, bi bilo še vedno manj kot 700 gramov PLA na kubit; pri razumnejših 25% polnitvi bi bila 300 gramov boljša ocena. Tako bi lahko naredili 6 kubitov z uporabo samo enega 2 kg koluta po materialni ceni približno 15 USD.
• En mikro servo SG90 na kubit. Te so na voljo za manj kot 2 USD. Poskrbite, da boste dobili mikro servomotorje, ki določajo 180-stopinjsko pozicioniranje-ne želite 90-stopinjskih in tudi ne tistih, ki so zasnovane za neprekinjeno vrtenje s spremenljivo hitrostjo.
• Servo krmilna plošča. Obstaja veliko izbire, vključno z uporabo Arduina, vendar je zelo enostavna izbira 6-kanalni servo krmilnik Pololu Micro Maestro, ki stane manj kot 20 USD. Obstajajo tudi druge različice, ki lahko upravljajo 12, 18 ali 24 kanalov.
• Podaljševalni kabli za SG90 po potrebi. Kabli na SG90 se nekoliko razlikujejo po dolžini, vendar boste morali ločiti kubite za najmanj 6 palcev, zato bodo potrebni podaljški. Te so zlahka pod 0,50 USD, odvisno od dolžine.
• Napajanje 5V za Pololu in SG90s. Običajno se Pololu napaja preko USB povezave s prenosnikom, vendar je pametno, da imate za servomotorje ločeno napajanje. Uporabil sem 5V 2.5A stensko bradavico, ki sem jo imel okoli, nove pa 3A lahko kupim za manj kot 5 USD.
• Neobvezno 2-stranski trak za držanje stvari skupaj. Trak VHB (zelo visoka vezava) dobro drži tako, da drži zunanjo lupino vsakega kubita skupaj, čeprav varjenje deluje še bolje, če ga nikoli ne morate razstaviti.
• Po želji les in zaključni material za izdelavo podlage. Naš je bil narejen iz ostankov v trgovini in ga držijo spoji piškotov z več plastmi prozornega poliuretana kot končnim zaključkom.

Vse povedano, 6-kubitni KREQC, ki smo ga zgradili, je stal približno 50 dolarjev zalog.

3. korak: 3D-natisnjeni deli: notranji del

Vsi modeli 3D-tiskanih delov so prosto dostopni kot Thing 3225678 pri Thingiverse. Pojdi po svoj izvod … počakali bomo …

Ah, tako hitro nazaj? V redu. Dejanski "bit" v kubitu je preprost del, ki je natisnjen v dveh delih, ker se je lažje spopasti z varjenjem dveh kosov skupaj kot z nosilci za tiskanje dvignjenih črk na obeh straneh enega dela.

Priporočam, da to natisnete v barvi, ki je v nasprotju z zunanjim delom kubita - na primer črno. V naši različici smo zgornjih 0,5 mm natisnili v beli barvi, da bi dobili kontrast, vendar je to zahtevalo menjavo žarilne nitke. Če tega ne želite storiti, lahko vedno samo pobarvate dvignjene površine "1" in "0". Oba dela tiskata brez razponov in s tem brez nosilcev. Uporabili smo 25% polnjenje in 0,25 mm višino iztiskanja.

4. korak: 3D-natisnjeni deli: zunanji del

Zunanji del vsakega kubita je nekoliko bolj zapleten. Prvič, ti kosi so veliki in ravni, zato jih je treba veliko dvigniti s tiskalne postelje. Običajno tiskam na vročem steklu, vendar je bilo za to potrebno dodatno tiskanje na vroče modri slikarski trak, da se izognemo deformaciji. Spet bi moralo biti več kot dovolj 25% polnjenja in 0,25 mm višine plasti.

Oba dela imata tudi razpone. Vdolbina, ki drži servo, ima razpone na obeh straneh in ključno je, da so dimenzije te votline pravilne - zato je treba tiskati s podporo. Kanal za napeljavo kablov je le na debelejši hrbtni strani in je konstruiran tako, da se izogne kakršnim koli razponom, razen manjšega kosa na samem dnu. Notranjost podlage na obeh kosih ima tehnično nepodprt razpon za notranjo krivuljo podlage, vendar ni pomembno, če se ta del tiska nekoliko povesi, zato tam ne potrebujete podpore.

Spet bo izbira barve, ki je v nasprotju z notranjimi deli, naredila "Q" kubitov bolj vidna. Čeprav smo sprednji del natisnili z deli "AGGREGATE. ORG" in "UKY. EDU" v beli PLA na ozadju PLA, se vam bo morda zdelo, da je njihova barva karoserije bolj privlačna. Veseli smo, da ste jih pustili tam, da bi gledalce opomnili, od kod izvira zasnova, vendar teh URL -jev ni treba vizualno kričati.

Ko so ti deli natisnjeni, odstranite ves podporni material in se prepričajte, da se servo prilega tako, da sta dva dela skupaj. Če ne ustreza, nadaljujte z nabiranjem podpornega materiala. Je zelo tesno prilegajoč, vendar mora omogočati, da se obe polovici potisneta skupaj. Upoštevajte, da v tisku namerno ni poravnalnih struktur, ker bi celo rahlo upogibanje preprečilo njihovo sestavljanje.

5. korak: Sestavite notranji del

Vzemite dva notranja dela in ju poravnajte tako, da se koničasti zavoj na levi strani "1" poravna s koničastim zavojem na "0". Po želji jih lahko začasno držite skupaj z dvostranskim trakom, ključno pa je, da jih zvarite z vročim spajkalnikom.

Dovolj je, da varite tam, kjer se robovi združijo. To naredite tako, da najprej spajkate z spajkalnikom, da povlečete PLA skupaj čez rob med dvema deloma na več mestih. Ko so deli zlepljeni, spajkalnik položite po šivu, da ustvarite trajni zvar. Oba dela bi morala biti del, prikazan na zgornji sliki.

Namestitev tega varjenega dela lahko preverite tako, da ga vstavite v zadnji zunanji del. Morali ga boste rahlo nagniti, da bo koničasti zaokret prišel na stran, ki nima servo votline, vendar se mora enkrat notri prosto vrteti.

6. korak: Usmerite servo in nastavite hupo

Da bi to delovalo, moramo imeti znano neposredno korespondenco med servo krmiljenjem in rotacijskim položajem servo. Vsak servo ima najmanjšo in največjo širino impulza, na katero se bo odzval. Za svoje servomotorje jih boste morali odkriti empirično, saj računamo na celotno premikanje za 180 stopinj in različni proizvajalci proizvajajo SG90 z nekoliko drugačnimi vrednostmi (pravzaprav imajo tudi nekoliko drugačne velikosti, vendar bi morale biti dovolj blizu ustreza dovoljenemu prostoru). Najkrajšo širino impulza imenujemo "0" in najdaljšo "1".

Vzemite enega od rogov, ki ste jih dobili s servomotorjem, in mu s škarjami za žice ali katerim koli drugim ustreznim orodjem odrežite krila - kot je prikazano na zgornji fotografiji. Zelo fino nastavitev na servo pogonu je zelo težko 3D-tiskati, zato bomo namesto tega uporabili sredino enega od servorogov. Obrezano servo trubo namestite na enega od servomotorjev. Zdaj priključite servo, ga nastavite v položaj "1" in ga pustite v tem položaju.

Verjetno ste opazili, da ima ostrina brez ostrenja cilindrično votlino, ki je približno velikosti glave zobnika na vašem servo-in nekoliko manjša od premera vašega obrezanega središča roga. Vzemite vroči spajkalnik in ga nežno zavrtite v luknji v vrtišču in tudi okoli zunanje strani obrezanega središča roga; tudi vi se ne poskušate stopiti, ampak samo, da jih zmehčate. Nato držite servo, potisnite središče trube naravnost v luknjo v vrtljivi enoti s servo v položaju "1" - z notranjim delom, ki prikazuje "1", ko je servo postavljen tako, kot bi bil, ko bi počivajo v votlini v zunanjem zadnjem delu.

Ko potisnete obrezani rog, bi morali videti, da se PLA nekoliko zloži, kar ustvarja zelo trdno povezavo z rogom. Pustite, da se vez nekoliko ohladi in nato izvlecite servo. Sirena bi morala zdaj del dovolj dobro povezati, tako da lahko servo prosto vrti del brez pomembnih zračnosti.

7. korak: Sestavite vsak Qubit

Zdaj ste pripravljeni na izdelavo kubitov. Zunanji zadnji del postavite na ravno površino (npr. Mizo), tako da je servo votlina obrnjena navzgor, stojalo pa visi čez rob površine, tako da zunanji zadnji del stoji ravno. Zdaj vzemite servo in notranji del, pritrjen s hupo, in ju vstavite v zadnji zunanji del. Pritisnite kabel iz servomotorja v kanal zanj.

Ko je vse, kar sedi, položite sprednji zunanji del na sklop. Priključite servo in ga upravljajte, medtem ko držite sklop skupaj, da se prepričate, da nič ne veže ali ni poravnano. Zdaj bodisi uporabite trak VHB ali spajkalnik za varjenje zunanje sprednje in zadnje strani skupaj.

Ponovite te korake za vsak kubit.

8. korak: Montaža

Majhna podlaga vsakega kubita ima izrez na hrbtni strani, ki bi vam omogočil, da napeljate servo kabel od zadaj, da se povežete z vašim krmilnikom, podstavek pa je dovolj širok, da je vsak kubit sam po sebi stabilen, zato ga lahko preprosto postavite podaljševalne kable na vsakem servomotorju in jih speljite po mizi ali drugi ravni površini. Vendar bodo prikazane žice, ki jih povezujejo …

Čutim, da gledanje žic uničuje iluzijo sablasnega delovanja na daljavo, zato raje popolnoma skrijem žice. Če želite to narediti, potrebujemo le montažno ploščad z luknjo pod vsakim kubitom, ki je dovolj velika, da lahko preide priključek za servo kabel. Seveda bi radi, da vsak kubit ostane tam, kjer je postavljen, zato so v podstavku tri luknje 1/4-20. Namen je uporabiti osrednjo, druge pa lahko uporabite za večjo varnost ali če se osrednja nit odveže zaradi pretiranega zategovanja. Tako eden izvrta dve tesno razporejeni luknji v podnožju za vsak kubit: ena za prehod vijačnega navoja 1/4-20, druga za konektor servo kabla.

Ker je les 3/4 "najpogostejši, ga boste verjetno želeli uporabiti za vrh podstavka-tako kot jaz. V tem primeru boste potrebovali 1/4-20 vijak ali vijak približno 1,25" dolga. Lahko jih kupite v kateri koli trgovini s strojno opremo po ceni približno 1 USD za šest. Druga možnost je, da jih natisnete 3D … vendar priporočam, da jih natisnete enega za drugim, če jih natisnete, ker tako zmanjšate napake v navoju finega vijaka.

Očitno dimenzije nosilca niso kritične, vendar bodo določile dolžino podaljševalnih kablov, ki jih potrebujete. KREQC je bil narejen v dveh vrstah po tri kubite predvsem zato, da se nosilec prilega kovčku za nošenje, tako smo ga prinesli na našo raziskovalno razstavo IEEE/ACM SC18.

9. korak: blagovno znamko

Kot zadnji korak ne pozabite označiti svojega kvantnega računalnika!

3D-natisnili smo imensko tablico v črni barvi na zlatu, ki smo jo nato pritrdili na leseno sprednjo stran podnožja. Svojo označite z drugimi sredstvi, na primer z 2D-tiskanjem priložene slike imenske tablice PDF z laserskim ali brizgalnim tiskalnikom. Prav tako ne bi škodilo, če bi vsak kubit označili s svojim položajem, še posebej, če ste preveč ustvarjalni glede tega, kako kubite razporedite na podlago.

Morda boste uživali tudi v razdajanju obeskov iz ključavnic s 3D-tiskanjem; niso zapleteni in niso motorizirani, vendar se prosto vrtijo, ko pihaš nanje, in se odlično spomnijo na demonstracijo KREQC.