KREQC: Ang Rotary na Kinakailangan na Quantum Computer ng Kentucky: 9 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Tinawag namin itong "sapa" - binaybay KREQC: Rotaryally Emulated Quantum Computer ng Kentucky. Oo, ipapakita sa iyo ang itinuturo na ito kung paano gumawa ng iyong sariling nagtatrabaho na kabuuan ng computer na mapagkakatiwalaan sa temperatura ng kuwarto na may isang minimum na oras ng pag-ikot na halos 1/2 segundo. Ang kabuuang gastos sa pagbuo ay $ 50- $ 100.

Hindi tulad ng IBM Q na kwantum na computer na ipinakita sa pangalawang larawan, ang KREQC ay hindi direktang gumagamit ng mga phenum physics phenum upang ipatupad ang mga ganap na nahilo na qubits. Sa gayon, ipagpalagay ko na maaari nating maitalo ang lahat ay gumagamit ng kabuuan ng pisika, ngunit talagang servally-kontrol na servos na nagpapatupad ng "nakakatakot na aksyon ni Einstein sa isang distansya" sa KREQC. Sa kabilang banda, pinapayagan ng mga servos na iyon ang KREQC na tularan nang maayos ang pag-uugali, ginagawang madali ang operasyon upang makita at maipaliwanag. Nagsasalita ng mga paliwanag ….

Hakbang 1: Ano ang Isang Quantum Computer?

Bago ibigay ang aming paliwanag, narito ang isang link sa isang magandang paliwanag mula sa dokumentasyon ng IBM Q Karanasan. Kukunin namin ang aming shot….

Walang alinlangan, nakarinig ka ng higit sa kaunti (nilalayon ng pun) tungkol sa kung paano nagbibigay ng mga katibayan ang mga mahiwagang computational na kakayahan sa mga computer na kabuuan. Ang pangunahing ideya ay habang ang isang ordinaryong piraso ay maaaring alinman sa 0 o 1, ang isang qubit ay maaaring 0, 1, o hindi natukoy. Sa pamamagitan ng sarili nito, tila hindi ito partikular na kapaki-pakinabang - at sa isang qubit lamang hindi - ngunit maraming mga gusot na qubit ang may kapaki-pakinabang na pag-aari na ang kanilang hindi matukoy na mga halaga ay maaaring sabay-sabay na masakop ang lahat ng mga posibleng pagsasama-sama ng mga halagang bit. Halimbawa, ang 6 na bit ay maaaring magkaroon ng anumang isang halaga mula 0 hanggang 63 (ibig sabihin, 2 ^ 6), habang ang 6 na qubit ay maaaring magkaroon ng isang hindi matukoy na halaga na lahat ay mga halaga mula 0 hanggang 63 na may isang potensyal na magkakaibang posibilidad na nauugnay sa bawat posibleng halaga. Kapag nabasa ang halaga ng isang qubit, natutukoy ang mga halaga nito at lahat ng mga qubit na napakabit dito, na may isang binasang halaga para sa bawat qubit na sapalarang napili alinsunod sa mga posibilidad; kung ang hindi matukoy na halaga ay 75% 42 at 25% 0, pagkatapos ay humigit-kumulang na 3 sa bawat apat na beses na isinagawa ang pagkalkula ng kabuuan, ang resulta ay magiging 42 at ang iba pang mga oras na ito ay 0. Ang pangunahing punto ay ang pagsusuri ng kabuuan ng pagkalkula lahat ng mga posibleng halaga at nagbabalik ng isa (ng potensyal na maramihang) mga wastong sagot, sinusubukan ang exponentially maraming mga halaga nang sabay - at iyon ang kapanapanabik na bahagi. Kakailanganin ang 64 6-bit na mga system upang magawa kung ano ang magagawa ng isang 6-qubit system.

Ang bawat isa sa 6 na ganap na gusot na qubits ng KREQC ay maaaring magkaroon ng isang halaga ng pag-ikot na 0, 1, o hindi natukoy. Ang equiprobable hindi matukoy na halaga ay kinakatawan ng lahat ng mga qubits na nasa pahalang na posisyon. Bilang isang nalikom na pagkalkula ng kabuuan, ang mga probabilidad ng iba't ibang mga halaga ay nagbago - kinakatawan sa KREQC ng mga indibidwal na qubits na kumikibo at ipinapalagay ang mga posisyon ng istatistika na sumasalamin sa mga posibilidad ng mga halaga. Sa paglaon, ang pagkalkula ng kabuuan ay natapos sa pamamagitan ng pagsukat ng mga gusot na qubits, na bumagsak sa hindi matukoy na halaga sa isang ganap na natukoy na pagkakasunud-sunod ng 0 at 1s. Sa video sa itaas, nakikita mo ang KREQC na nagkukompyuter ng "sagot sa pangwakas na tanong ng buhay, ang sansinukob, at ang lahat" - sa madaling salita, 42 … na sa binary ay 101010, na may 101 sa likod na hilera ng qubits at 010 sa ang harap.

Siyempre, may ilang mga problema sa mga computer na kabuuan, at ang KREQC ay naghihirap din sa kanila. Ang isang halata ay talagang nais natin ang milyun-milyong qubits, hindi lamang 6. Gayunpaman, mahalaga din na tandaan na ang mga computer na kabuuan ay nagpapatupad lamang ng kombinatoryal na lohika - taliwas sa tinatawag nating mga computer engineer na isang machine ng estado. Karaniwan, nangangahulugang ang isang makina ng kabuuan sa pamamagitan ng sarili nito ay hindi gaanong may kakayahan kaysa sa isang Turing machine o isang maginoo na computer. Sa kaso ng KREQC, ipinapatupad namin ang mga machine ng estado sa pamamagitan ng pagkontrol sa KREQC gamit ang isang maginoo na computer upang magsagawa ng isang pagkakasunud-sunod ng mga pagkalkula ng kabuuan, isa bawat pagbisita sa estado sa pagpapatupad ng makina ng estado.

Kaya, tara na magtayo ng isang computer-kwantum kabuuan ng computer!

Hakbang 2: Mga Tool, Bahagi, at Materyales

Mayroong hindi maraming sa KREQC, ngunit kakailanganin mo ng ilang mga bahagi at tool. Magsimula tayo sa mga tool:

• Pag-access sa isang 3D-grade 3D printer. Posibleng gawin ang mga qubit ng KREQC gamit ang isang machine at kahoy na paggiling ng CNC, ngunit mas madali at mas malapit itong gawin sa pamamagitan ng paglabas ng PLA na plastik. Ang pinakamalaking bahagi na naka-print sa 3D ay 180x195x34mm, kaya't mas madali ang mga bagay kung ang printer ay may sapat na dami ng pag-print upang mai-print iyon sa isang piraso.
• Isang bakal na bakal. Upang magamit para sa hinang mga bahagi ng PLA.
• Mga cutter ng wire o iba pa na maaaring magputol ng maliliit na bahagi ng plastik na 1mm (ang mga sungay ng servo).
• Bilang pagpipilian, mga tool sa paggawa ng kahoy para sa paggawa ng isang kahoy na base upang mai-mount ang mga qubits. Ang isang base ay hindi mahigpit na kinakailangan sapagkat ang bawat bit ay may built-in na paninindigan na magpapahintulot sa isang control cable na i-ruta ang likuran.

Hindi mo kailangan ng maraming mga bahagi o mga materyales alinman:

• PLA para sa paggawa ng mga qubits. Kung nakalimbag sa 100% punan, magiging mas mababa pa rin sa 700 gramo ng PLA bawat qubit; sa isang mas makatwirang 25% punan, 300 gramo ay magiging isang mas mahusay na pagtatantya. Kaya, 6 qubits ay maaaring gawin gamit ang isang 2kg spool lamang, sa halagang materyal na humigit-kumulang na $ 15.
• Isang SG90 micro servo bawat qubit. Ito ay kaagad na magagamit para sa mas mababa sa $ 2 bawat isa. Siguraduhing makakuha ng mga micro servos na tumutukoy sa operasyon ng pagpoposisyon ng 180 degree na degree - hindi mo nais ang mga 90-degree na iyon o nais mo ang mga idinisenyo para sa patuloy na pag-ikot sa variable na bilis.
• Isang board ng servo controller. Maraming mga pagpipilian, kabilang ang paggamit ng isang Arduino, ngunit ang isang napakadaling pagpipilian ay ang Pololu Micro Maestro 6-Channel USB Servo Controller na nagkakahalaga ng mas mababa sa $ 20. Mayroong iba pang mga bersyon na maaaring hawakan 12, 18, o 24 na mga channel.
• Mga extension cable para sa SG90 kung kinakailangan. Ang mga cable sa SG90s ay medyo nag-iiba ang haba, ngunit kakailanganin mo ang mga qubit upang mapaghiwalay ng isang minimum na halos 6 pulgada, kaya kailangan ng mga extension cable. Madali itong mas mababa sa $ 0.50 bawat isa, depende sa haba.
• Isang 5V power supply para sa Pololu at SG90s. Karaniwan, ang Pololu ay pinalakas sa pamamagitan ng koneksyon sa USB sa isang laptop, ngunit maaaring matalino na magkaroon ng isang hiwalay na suplay ng kuryente para sa mga servo. Gumamit ako ng isang 5V 2.5A wall wart na mayroon ako sa paligid, ngunit ang mga bagong 3A ay maaaring mabili nang mas mababa sa $ 5.
• Bilang pagpipilian, 2-sided tape upang magkasama ang mga bagay. Ang tape ng VHB (Very-High Bond) tape ay gumagana nang maayos upang hawakan ang panlabas na shell ng bawat qubit, kahit na mas mahusay ang paggana ng welding kung hindi mo na kailangang isama ito.
• Bilang pagpipilian, kahoy at pagtatapos ng mga suplay para sa paggawa ng base. Ang atin ay ginawa mula sa mga scrap ng shop at pinagsama ng mga kasukasuan ng biskwit, na may maraming mga coats ng malinaw na polyurethane bilang huling pagtatapos.

Sinabi ng lahat, ang 6-qubit KREQC na binuo namin ay nagkakahalaga ng halos $ 50 sa mga supply.

Hakbang 3: Mga Bahaging Naka-print sa 3D: ang Panloob na Bahagi

Ang lahat ng mga disenyo ng bahagi na naka-print sa 3D ay malayang magagamit bilang Halong 3225678 sa Thingiverse. Pumunta sa kunin ang iyong kopya ngayon … maghihintay kami….

Ah, bumalik kaagad? Sige Ang aktwal na "bit" sa qubit ay isang simpleng bahagi na naka-print sa dalawang piraso dahil mas madaling harapin ang hinang ng dalawang piraso nang magkasama kaysa gumamit ng mga suporta upang mai-print ang itinaas na sulat sa magkabilang panig ng isang bahagi.

Inirerekumenda kong i-print ito sa isang kulay na naiiba sa panlabas na bahagi ng qubit - halimbawa, itim. Sa aming bersyon, nai-print namin ang tuktok na 0.5mm na puti upang magbigay ng kaibahan, ngunit kinakailangan ng pagbabago ng filament. Kung mas gugustuhin mong gawin iyon, maaari mong palaging pintura ang nakataas na mga ibabaw ng "1" at "0." Parehong naka-print ang mga bahaging ito nang walang spans at samakatuwid nang walang mga suporta. Gumamit kami ng 25% punan at 0.25mm taas ng pagpilit.

Hakbang 4: Mga Bahaging Naka-print sa 3D: ang Panlabas na Bahagi

Ang panlabas na bahagi ng bawat qubit ay medyo isang mas mahirap na pag-print. Una, ang mga piraso ay malaki at patag, kaya't napapailalim sa maraming pag-aangat mula sa iyong print bed. Karaniwan akong nai-print sa mainit na baso, ngunit kinakailangan ng mga ito ng labis na stick ng pag-print sa tape ng mainit na asul na pintor upang maiwasan ang pag-warping. Muli, 25% punan at 0.25mm taas ng layer ay dapat na higit sa sapat.

Ang mga bahaging ito ay pareho ring may spans. Ang lukab na humahawak sa servo ay may mga span sa magkabilang panig at kritikal na ang sukat ng lukab na ito ay tama - kaya kailangan itong mag-print nang may suporta. Ang channel ng pagruruta ng cable ay nasa makapal lamang sa likuran, at itinayo upang maiwasan ang anumang mga spans maliban sa isang menor de edad sa pinakadulo na base. Ang loob ng base sa parehong mga piraso ng teknikal ay may isang hindi suportadong haba para sa panloob na kurba ng base, ngunit hindi mahalaga kung bahagyang lumubog ang bahaging iyon ng print, kaya't hindi mo kailangan ng suporta doon.

Muli, ang isang pagpipilian ng kulay na naiiba sa mga panloob na bahagi ay gagawing mas nakikita ang "Q" ng mga qubits. Bagaman na-print namin ang harap sa mga bahagi na "AGGREGATE. ORG" at "UKY. EDU" sa puting PLA sa asul na background ng PLA, maaari mong makita ang mas mababang pagkakaiba ng hitsura ng pagkakaroon ng mga ito ng kulay ng katawan na mas nakakaakit. Pinahahalagahan namin na iniiwan mo sila doon upang paalalahanan ang mga manonood kung saan nagmula ang disenyo, ngunit hindi kailangang maging bisitang sumisigaw ng mga URL na ito.

Kapag na-print na ang mga bahaging ito, alisin ang anumang materyal sa suporta at siguraduhin na ang servo ay umaangkop sa dalawang piraso na pinagsama-sama. Kung hindi ito magkasya, magpatuloy na piliin ang materyal ng suporta. Ito ay isang medyo masikip na magkasya, ngunit dapat payagan ang parehong mga halves na itulak magkasama. Pansinin na sadyang walang mga istraktura ng pagkakahanay sa pag-print dahil kahit na ang kaunting pag-aaway ay maaaring maging sanhi upang maiwasan nila ang pagpupulong.

Hakbang 5: Magtipon ng Bahaging Panloob

Kunin ang dalawang panloob na mga bahagi at ihanay ang mga ito pabalik-balik na tulad ng matulis na pivot sa kaliwa ng mga linya na "1" pataas kasama ang matulis na pivot sa "0." Pansamantalang mahahawakan mo ang mga ito kasama ng 2-sided tape kung ninanais, ngunit ang susi ay ang paggamit ng isang mainit na panghinang na bakal upang sama-sama silang mag-welding.

Sapat na itong magwelding kung saan magkakasama ang mga gilid. Gawin ito sa pamamagitan ng unang pag-welding ng tack sa pamamagitan ng paggamit ng soldering iron upang i-drag ang PLA nang magkasama sa gilid sa pagitan ng dalawang piraso sa maraming mga spot. Matapos ma-tacked ang mga bahagi, patakbuhin ang soldering iron sa paligid ng seam upang lumikha ng isang permanenteng hinang. Dapat gawin ng dalawang piraso ang bahaging ipinakita sa imahe sa itaas.

Maaari mong suriin ang akma ng welded na bahagi na ito sa pamamagitan ng pagpasok nito sa likurang panlabas na bahagi. Kakailanganin mong ikiling ito nang bahagya upang makuha ang pointy pivot sa gilid na walang servo lukab, ngunit sa isang beses, dapat itong malayang iikot.

Hakbang 6: I-orient ang Servo at Itakda ang Horn

Upang gumana ito, kailangan nating magkaroon ng isang kilalang direktang pagsusulat sa pagitan ng servo control at rotational na posisyon ng servo. Ang bawat servo ay may isang minimum at maximum na lapad ng pulso kung saan ito tutugon. Kakailanganin mong tuklasin ang mga empirically para sa iyong mga servos, dahil nagbibilang kami sa buong kilos na 180-degree at iba't ibang mga tagagawa ang gumagawa ng SG90 na may bahagyang magkakaibang halaga (sa katunayan, mayroon din silang bahagyang magkakaibang laki, ngunit dapat silang malapit sa magkasya sa loob ng espasyo na pinapayagan). Tawagin natin ang pinakamaikling lapad ng pulso na "0" at ang pinakamahabang "1".

Kunin ang isa sa mga sungay na kasama ng iyong servo at i-trim ang mga pakpak dito gamit ang mga wire cutter o anumang iba pang naaangkop na tool - tulad ng nakikita sa larawan sa itaas. Ang napaka-pinong gear pitch sa servo ay napakahirap mag-print ng 3D, kaya sa halip ay gagamitin namin ang gitna ng isa sa mga sungay ng servo para doon. Ilagay ang naka-trim na sungay ng servo sa isa sa mga servo. Ngayon plug sa servo, itakda ito sa "1" posisyon at iwanan ito sa posisyon na iyon.

Marahil ay napansin mo na ang di-pointy pivot ay mayroong isang cylindrical cavity dito na halos kasing laki ng gear head sa iyong servo - at medyo mas maliit kaysa sa diameter ng iyong trimmed center ng sungay. Kunin ang mainit na bakal na panghinang at dahan-dahang iikot ito sa loob ng butas sa pivot at sa paligid din ng labas ng na-trim na sungay ng sungay; hindi mo rin sinusubukan na matunaw, ngunit upang malambot lamang sila. Susunod, humahawak sa servo, itulak ang sungay center nang diretso sa butas ng pivot gamit ang servo sa dapat na posisyon na "1" - kasama ang panloob na bahagi na nagpapakita ng "1" kapag ang servo ay nakaposisyon tulad ng kung kailan nagpapahinga sa lukab sa panlabas na likurang bahagi.

Dapat mong makita ang PLA na nakatiklop sa sarili nito nang kaunti habang itinulak mo ang naka-trim na sungay, na lumilikha ng isang napaka-matatag na koneksyon sa sungay. Hayaan ang cool na bono ng kaunti at pagkatapos ay hilahin ang servo. Ang sungay ay dapat na ngayong bonoin ang bahagi nang sapat upang ang servo ay maaaring malayang iikot ang bahagi nang walang makabuluhang laro.

Hakbang 7: Magtipon ng Bawat Qubit

Handa ka na ngayong itayo ang mga qubit. Ilagay ang panlabas na bahagi sa likuran sa isang patag na ibabaw (hal., Isang mesa) na nakaharap ang servo cavity at nakasabit ang tindig sa ibabaw ng gilid kaya't ang panlabas na bahagi sa likuran ay nakaupo na flat. Ngayon kunin ang servo at panloob na bahagi na nakakabit ng sungay at ipasok ang mga ito sa likurang panlabas na bahagi. Pindutin ang cable mula sa servo papunta sa channel para dito.

Kapag ang lahat ng iyon ay nakaupo sa flush, ilagay ang harap na panlabas na bahagi sa pagpupulong. I-hook-up ang servo at patakbuhin ito habang pinagsama ang pagpupulong upang matiyak na walang nagbubuklod o hindi naayon. Ngayon alinman sa paggamit ng VHB tape o gumamit ng isang panghinang na bakal upang magwelding ng panlabas na harap at pabalik na magkasama.

Ulitin ang mga hakbang na ito para sa bawat qubit.

Hakbang 8: Pag-mount

Ang maliit na base ng bawat qubit ay may hiwa sa likuran na magpapahintulot sa iyo na patakbuhin ang servo cable palabas sa likuran upang kumonekta sa iyong controller, at ang base ay sapat na lapad para sa bawat qubit na maging matatag sa pamamagitan ng kanyang sarili, kaya maaari mo lamang ilagay mga extension cable sa bawat servo at patakbuhin ang mga ito sa isang mesa o iba pang patag na ibabaw. Gayunpaman, magpapakita iyon ng mga wires na kumokonekta sa kanila ….

Nararamdaman ko na ang pagtingin sa mga wire ay nasisira ang ilusyon ng nakakatakot na aksyon sa isang distansya, kaya mas gusto kong itago ang mga wire nang buo. Upang gawin iyon, ang kailangan lang namin ay isang mounting platform na may butas sa ilalim ng bawat qubit na sapat na malaki para dumaan ang servo cable konektor. Siyempre, nais naming manatili ang bawat qubit kung saan inilalagay, kaya't mayroong tatlong 1 / 4-20 na naka-tap na mga butas sa base. Ang hangarin ay gamitin ang isa sa gitna, ngunit ang iba ay maaaring magamit upang gawing mas ligtas ang mga bagay o kung ang gitnang thread ay mahubaran ng overtightening. Samakatuwid, ang isa ay drills dalawang malapit na spaced hole sa base para sa bawat qubit: isa upang pumasa sa isang 1 / 4-20 tornilyo na thread, ang isa upang ipasa ang servo cable konektor.

Dahil ang 3/4 "kahoy ay pinaka-karaniwan, malamang na gugustuhin mong gamitin ito para sa tuktok ng base - tulad ng ginawa ko. Sa kasong iyon, kakailanganin mo ng 1 / 4-20 na tornilyo o bolt na humigit-kumulang na 1.25" mahaba Maaari mong bilhin ang mga ito sa anumang tindahan ng hardware sa halagang $ 1 para sa anim. Bilang kahalili, maaari mong i-print ang mga ito sa 3D … ngunit inirerekumenda kong i-print ang mga ito nang paisa-isa kung nai-print mo ang mga ito dahil na pinapaliit ang mga depekto sa pinong thread ng tornilyo.

Malinaw na, ang mga sukat ng bundok ay hindi kritikal, ngunit matutukoy nila ang haba ng mga extension cable na kakailanganin mo. Ang KREQC ay ginawa bilang dalawang mga hilera ng tatlong qubits lalo na upang ang bundok ay magkasya sa isang dalang maleta, na kung saan namin ito dinala sa aming IEEE / ACM SC18 na eksibit ng pananaliksik.

Hakbang 9: Brand It

Bilang isang pangwakas na hakbang, huwag kalimutang markahan ang iyong kabuuan ng computer!

Nag-print kami ng 3D ng isang nameplate na itim sa ginto, na pagkatapos ay naayos sa kahoy na harap ng base. Huwag mag-atubiling markahan ang iyo sa ibang mga paraan, tulad ng 2D-pag-print ng naka-attach na imahe ng nameplate ng PDF na may laser o inkjet printer. Hindi rin masasaktan na lagyan ng label ang bawat qubit sa posisyon nito, lalo na kung masyadong malikhain ka tungkol sa kung paano mo ayusin ang mga qubit sa base.

Maaari mo ring tangkilikin ang pamigay ng mga naka-print na qubit keychain na naka-print na 3D; ang mga ito ay hindi nahilo o hindi sila nagmotor, ngunit malaya silang umiikot kapag hinipan mo sila at gumawa ng isang mahusay na paalala sa bahay ng isang demonstrasyong KREQC.