KREQC: Kentukkinin Dönmə Emulyasiya Edilmiş Kvant Kompüteri: 9 Addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

Biz buna "dərə" deyirik - KREQC: Kentukkinin Dönmə Emülasyonlu Kvant Kompüteri. Bəli, bu təlimat, otaq temperaturunda etibarlı şəkildə işləyən, minimum 1/2 saniyə dövrü olan öz işçi kvant kompüterinizin necə hazırlanacağını sizə göstərəcək. Ümumi tikinti dəyəri 50-100 dollardır.

İkinci fotoşəkildə göstərilən IBM Q kvant kompüterindən fərqli olaraq, KREQC tam dolaşıq qubitlərini həyata keçirmək üçün kvant fizikası hadisələrini birbaşa istifadə etmir. Düşünürəm ki, hər şeyin kvant fizikasından istifadə etdiyini mübahisə edə bilərik, amma KREQC-də Einstein-in "uzaqdan ürkütücü hərəkətini" həyata keçirən, sadəcə olaraq, ənənəvi olaraq idarə olunan servolardır. Digər tərəfdən, bu servolar, KREQC -nin davranışı çox yaxşı təqlid etməsinə imkan verir, bu da əməliyyatı görmək və izah etməyi asanlaşdırır. Söhbət izahlardan gedir ….

Addım 1: Kvant Kompüteri nədir?

İzahatımızı verməzdən əvvəl, burada IBM Q Experience sənədlərindən gözəl bir izahatın bağlantısı var. İndi çəkilişimizi aparacağıq ….

Şübhəsiz ki, qubitlərin kvant kompüterlərdə sehrli hesablama qabiliyyətlərini necə bəxş etdikləri haqqında bir az çox şey eşitmisiniz. Əsas fikir budur ki, adi bir bit 0 və ya 1 ola bilər, bir qubit 0, 1 və ya qeyri -müəyyən ola bilər. Öz -özünə, bu xüsusilə faydalı görünmür - və yalnız bir qubit ilə deyil - lakin çoxlu dolaşıq qubitlərin qeyri -müəyyən dəyərlərinin eyni zamanda bit dəyərlərinin bütün mümkün birləşmələrini əhatə edə biləcəyi olduqca faydalı xüsusiyyətlərə malikdir. Məsələn, 6 bit 0 -dan 63 -ə qədər hər hansı bir dəyərə sahib ola bilər (yəni 2^6), 6 qubit isə qeyri -müəyyən bir dəyərə sahib ola bilər ki, bu da 0 -dan 63 -ə qədər olan hər bir dəyərlə əlaqəli potensial fərqli bir ehtimaldır. Bir qubitin dəyəri oxunduqda, onun və onunla dolaşan bütün kubitlərin dəyərləri müəyyən edilir, hər kubit üçün oxunan tək dəyər ehtimallara uyğun olaraq təsadüfi olaraq seçilir; Əgər qeyri -müəyyən dəyər 75% 42 və 25% 0 olarsa, kvant hesablamasının hər dörd dəfə təxminən 3 -ü aparıldıqda nəticə 42, digər dəfə isə 0 olacaq. Əsas məqam kvant hesablamasının qiymətləndirməsidir. bütün mümkün dəyərlər və eyni anda çoxlu dəyərləri sınayan bir (potensial çoxsaylı) etibarlı cavab qaytarır - və bu həyəcan verici hissədir. 6 qubitlik bir sistemin edə biləcəyi işi yerinə yetirmək üçün 64 6 bitlik sistem lazımdır.

KREQC-nin 6 tam dolanmış qubitinin hər biri 0, 1 və ya qeyri-müəyyən bir fırlanma dəyərinə malik ola bilər. Birləşdirilə bilən qeyri -müəyyən dəyər, üfüqi vəziyyətdə olan bütün qubitlərlə təmsil olunur. Kvant hesablaması davam etdikcə fərqli dəyərlərin ehtimalları dəyişir - KREQC -də dəyərlərin ehtimalını əks etdirən statistik mövqeləri yelləyən və qəbul edən fərdi qubitlər tərəfindən təmsil olunur. Nəhayət, kvant hesablanması, müəyyən olmayan dəyəri tam olaraq müəyyən edilmiş 0s və 1s ardıcıllığına çökdürən dolaşıq qubitlərin ölçülməsi ilə sona çatır. Yuxarıdakı videoda, KREQC -nin "həyatın, kainatın və hər şeyin son sualına cavabını" hesabladığını görürsünüz - başqa sözlə 42 … ikili olaraq 101010, qubitlərin arxa cərgəsində 101 və 010 olan cəbhə.

Əlbəttə ki, kvant kompüterlərində bəzi problemlər var və KREQC də bundan əziyyət çəkir. Aydındır ki, biz həqiqətən 6 milyon deyil, milyonlarla kubit istəyirik. Bununla yanaşı, qeyd etmək vacibdir ki, kvant kompüterləri yalnız kompüter mühəndislərinin dövlət maşını dediklərimizdən fərqli olaraq yalnız kombinator məntiqini həyata keçirirlər. Əsasən, bu, bir kvant maşınının Turing maşınından və ya adi bir kompüterdən daha az qabiliyyətli olması deməkdir. KREQC vəziyyətində, dövlət maşınlarının icrasında hər bir dövlət ziyarətinə görə bir kvant hesablama ardıcıllığını yerinə yetirmək üçün adi bir kompüterdən istifadə edərək KREQC-ni idarə edərək dövlət maşınlarını tətbiq edirik.

Gəlin otaq temperaturunda kvant kompüter quraq!

Addım 2: Alətlər, Parçalar və Materiallar

KREQC üçün çox şey yoxdur, ancaq bəzi hissələrə və alətlərə ehtiyacınız olacaq. Alətlərdən başlayaq:

• İstehlakçı dərəcəli 3D printerə giriş. KREQC -nin kubitlərini bir CNC freze maşını və ağacdan istifadə etməklə hazırlamaq olardı, lakin PLA plastikini ekstrüde edərək hazırlamaq daha asan və daha səliqəlidir. Ən böyük 3D çaplı hissə 180x195x34 mm-dir, buna görə də printerin bir parça çap etmək üçün kifayət qədər böyük çap həcmi varsa, işlər daha asandır.
• Bir lehimləmə dəmiri. PLA hissələrinin qaynaqlanması üçün istifadə olunur.
• 1 mm qalınlığında kiçik plastik hissələri (servo buynuzları) kəsə bilən tel kəsicilər və ya başqa bir şey.
• İsteğe bağlı olaraq, qubitləri taxta bir baza düzəltmək üçün ağac emalı alətləri. Bir baza ciddi şəkildə tələb olunmur, çünki hər bir ucunda bir nəzarət kabelinin arxadan çıxmasına imkan verən quraşdırılmış dayağı var.

Çox hissələrə və ya materiallara ehtiyacınız yoxdur:

• Qubit hazırlamaq üçün PLA. 100% doldurma ilə çap olunsaydı, yenə də kubit başına 700 qram PLA -dan az olardı; daha ağlabatan 25% doldurulduqda, 300 qram daha yaxşı bir təxmin olardı. Beləliklə, təxminən 15 dollarlıq material dəyəri ilə yalnız 2 kq makaradan istifadə edərək 6 qubit hazırlana bilər.
• Bir kub başına bir SG90 mikro servo. Bunlar hər biri 2 dollardan aşağıdır. 180 dərəcə yerləşdirmə əməliyyatını təyin edən mikro servoları aldığınızdan əmin olun-nə 90 dərəcə, nə də dəyişkən sürətlə davamlı fırlanma üçün nəzərdə tutulmuşları istəmirsiniz.
• Bir servo idarəetmə lövhəsi. Arduino istifadə etmək də daxil olmaqla bir çox seçim var, amma çox asan bir seçim, qiyməti 20 dollardan aşağı olan Pololu Micro Maestro 6 Kanallı USB Servo Nəzarətçisidir. 12, 18 və ya 24 kanalı idarə edə biləcək digər versiyalar da var.
• Lazım gələrsə SG90s üçün uzatma kabelləri. SG90 -lardakı kabellərin uzunluğu bir qədər dəyişir, ancaq ən azı 6 düym ilə ayrılması üçün qubitlərə ehtiyacınız olacaq, buna görə uzatma kabellərinə ehtiyacınız olacaq. Uzunluğundan asılı olaraq hər biri 0.50 dolların altındadır.
• Pololu və SG90s üçün 5V enerji təchizatı. Normalda, Pololu bir dizüstü kompüterə USB bağlantısı ilə təchiz edilir, lakin servolar üçün ayrı bir enerji təchizatı olması ağıllı olar. Ətrafımda olan 5V 2.5A divar siğili istifadə etdim, amma yeni 3A olanları 5 dollardan aşağı almaq olar.
• İsteğe bağlı olaraq, hər şeyi bir yerdə saxlamaq üçün 2 tərəfli bant. VHB (Çox Yüksək Bond) lenti, hər kubitin xarici qabığını bir yerdə saxlamaq üçün yaxşı işləyir, baxmayaraq ki, heç vaxt parçalamaq lazım deyilsə, qaynaq daha yaxşı işləyir.
• İsteğe bağlı olaraq, baza hazırlamaq üçün ağac və bitirmə materialları. Bizimkilər dükan qalıqlarından hazırlanmışdır və bir neçə qat şəffaf poliuretandan ibarət olan son biskvit birləşmələri ilə birlikdə tutulur.

Hamısı deyildiyi kimi, inşa etdiyimiz 6 qubitlik KREQC, təxminən 50 dollarlıq təchizata başa gəldi.

Addım 3: 3D çaplı hissələr: Daxili hissə

Bütün 3D çaplı hissə dizaynları Thingiverse-də Thing 3225678 olaraq sərbəst şəkildə mövcuddur. Gedin surətinizi indi alın … gözləyək ….

Ah, tez qayıdırsan? Tamam. Qubitdəki həqiqi "bit" iki hissəyə basılan sadə bir hissədir, çünki iki hissənin qaynaqlanması ilə məşğul olmaq, bir hissənin hər iki tərəfində qaldırılmış hərfləri çap etmək üçün dəstəklərdən istifadə etməkdən daha asandır.

Bunu qubitin xarici hissəsi ilə ziddiyyət təşkil edən bir rəngdə çap etməyi məsləhət görürəm - məsələn, qara. Versiyamızda, kontrast vermək üçün üst 0,5 mm -ni ağ rəngdə çap etdik, lakin bunun üçün filamentin dəyişdirilməsi tələb olunurdu. Bunu etmək istəmirsinizsə, həmişə "1" və "0" -ın qaldırılmış səthlərini rəngləyə bilərsiniz. Hər iki hissə də aralıq olmadan və buna görə də dayaqlar olmadan çap olunur. 25% doldurma və 0,25 mm ekstruziya hündürlüyü istifadə etdik.

Addım 4: 3D çaplı hissələr: xarici hissə

Hər qubitin xarici hissəsi bir az hiyləgər bir çapdır. Birincisi, bu parçalar böyük və düzdür, buna görə də çap yatağınızdan çoxlu yük qaldırılır. Mən adətən isti şüşəyə çap edirəm, amma burulmamaq üçün isti mavi rəssamın lentinə əlavə çap çubuğu tələb olunurdu. Yenə 25% doldurma və 0,25 mm təbəqə hündürlüyü kifayət qədər çox olmalıdır.

Həm də bu hissələrin hər ikisinin də aralığı var. Servo tutan boşluğun hər iki tərəfi var və bu boşluğun ölçülərinin düzgün olması çox vacibdir - buna görə də dəstəyi ilə çap etmək lazımdır. Kabel marşrutlaşdırma kanalı yalnız daha qalın arxa tərəfdədir və ən kiçik hissədən başqa hər hansı bir məsafənin qarşısını almaq üçün qurulmuşdur. Hər iki hissədə olan bazanın içi texniki olaraq əsasın daxili əyrisi üçün dəstəklənməyən bir aralığa malikdir, lakin çapın o hissəsinin bir az əyilməsinin heç bir əhəmiyyəti yoxdur, buna görə orada dəstəyə ehtiyacınız yoxdur.

Yenə də daxili hissələrlə ziddiyyət təşkil edən bir rəng seçimi, qubitlərin "Q" sini daha çox görünəcək hala gətirəcək. Ön tərəfi mavi PLA fonunda "AGGREGATE. ORG" və "UKY. EDU" hissələri ilə ağ PLA-da çap etsək də, bədən rənginin daha cazibədar göründüyünü görə bilərsiniz. Dizaynın haradan gəldiyini izləyicilərə xatırlatmaq üçün onları orda qoymağınızdan məmnunuq, ancaq bu URL -ləri vizual olaraq qışqırmağa ehtiyac yoxdur.

Bu hissələr çap edildikdən sonra, hər hansı bir dəstək materialını çıxarın və servonun bir -birinə yapışan iki parçaya uyğun olduğundan əmin olun. Uyğun deyilsə, dəstək materialını götürməyə davam edin. Olduqca sıx bir uyğunluqdur, amma hər iki yarının bir -birinə yaxınlaşmasına icazə verməlidir. Diqqət yetirin ki, çapda heç bir hizalanma quruluşu yoxdur, çünki hətta kiçik əyilmələr də montajın qarşısını alır.

Addım 5: Daxili hissəni yığın

İki daxili hissəni götürün və "1" in solundakı ucu, "0" nöqtəsindəki döngə ilə üst-üstə düşəcək şəkildə arxa-arxaya düzün. İstəyirsinizsə, onları iki tərəfli lentlə müvəqqəti olaraq saxlaya bilərsiniz, amma əsas odur ki, onları qaynaq etmək üçün isti bir lehimləmə dəmirindən istifadə edin.

Kenarların bir araya gəldiyi yerdə qaynaq etmək kifayətdir. Bunu əvvəlcə lehimləmə dəmirindən istifadə edərək PLA -nı iki hissənin kənarında bir neçə nöqtədə birlikdə sürükləmək üçün edin. Parçalar bir -birinə yapışdırıldıqdan sonra, daimi bir qaynaq yaratmaq üçün lehimləmə dəmirini dikişin hər tərəfinə çəkin. İki parça yuxarıdakı şəkildə göstərilən hissəni düzəltməlidir.

Bu qaynaqlı hissənin arxa xarici hissəyə daxil edərək uyğunluğunu yoxlaya bilərsiniz. Sivri döngəni servo boşluğu olmayan tərəfə daxil etmək üçün bir az əymək lazımdır, ancaq içəri girəndə sərbəst dönməlidir.

Addım 6: Servoni istiqamətləndirin və buynuzu qoyun

Bunun işləməsi üçün servo idarəetmə ilə servonun fırlanma mövqeyi arasında bilinən birbaşa yazışmalara sahib olmalıyıq. Hər bir servonun cavab verəcəyi minimum və maksimum nəbz genişliyinə malikdir. Servolarınız üçün bunları empirik olaraq kəşf etməlisiniz, çünki tam 180 dərəcə hərəkətə güvənirik və fərqli istehsalçılar bir az fərqli dəyərlərə malik SG90s istehsal edirlər (əslində ölçüləri də bir az fərqlidir, lakin kifayət qədər yaxın olmalıdırlar) icazə verilən məkana uyğun). Ən qısa nəbz genişliyini "0" və ən uzununu "1" adlandıraq.

Servo ilə birlikdə gələn buynuzlardan birini götürün və yuxarıdakı fotoşəkildə göründüyü kimi tel kəsicilər və ya hər hansı digər uyğun alətlə qanadlarını kəsin. Servo üzərindəki çox incə dişli meydançanın 3D çapı çox çətindir, buna görə bunun üçün servo buynuzlarından birinin mərkəzindən istifadə edəcəyik. Kəsilmiş servo buynuzunu servolardan birinə qoyun. İndi servoyu qoşun, "1" mövqeyinə qoyun və bu vəziyyətdə buraxın.

Yəqin ki, nöqtəsiz pivotun içərisində servonun dişli başı ölçüsündə və kəsilmiş buynuz mərkəzinizin diametrindən bir qədər kiçik olan silindrik bir boşluğa sahib olduğunu fərq etdiniz. İsti lehimləmə dəmirini götürün və pivotdakı çuxurun içərisinə, həmçinin kəsilmiş buynuz mərkəzinin kənarına yumşaq bir şəkildə çevirin; siz də əriməyə çalışmırsınız, ancaq onları yumşaltmaq üçün. Ardından, servo tutaraq, buynuz mərkəzini düz "1" mövqeyində olmalı olan servo ilə döngə çuxuruna itələyin - servo olduğu zaman olduğu kimi yerləşdirildikdə daxili hissəsi "1" göstərir. xarici arxa hissədəki boşluqda istirahət.

Kəsilmiş buynuzu itələyərkən, buynuza çox möhkəm bir əlaqə yaradan PLA -nın bir az öz üzərinə büküldüyünü görməlisiniz. Bağın bir az soyumasına icazə verin və sonra servonu çıxarın. Buynuz indi hissəni kifayət qədər yaxşı bağlamalıdır ki, servo heç bir əhəmiyyətli oyun olmadan sərbəst şəkildə fırlansın.

Addım 7: Hər Qubiti yığın

İndi kubitləri qurmağa hazırsınız. Xarici arxa hissəni düz bir səthə (məsələn, masaya) qoyun ki, servo boşluğu yuxarıya baxsın və dayaq səthin kənarından asılı olsun ki, xarici arxa hissəsi düz otursun. İndi buynuzla bağlanmış servo və daxili hissəni götürün və arxa xarici hissəyə daxil edin. Bunun üçün servodakı kabeli kanala sıxın.

Hamısı düz oturduqdan sonra ön xarici hissəni montajın üzərinə qoyun. Heç bir şeyin bağlanmadığından və ya düzgün hizalanmadığından əmin olmaq üçün servonu bağlayın və qurğunu bir yerdə tutaraq işlədin. İndi ya VHB lentindən istifadə edin, ya da xarici ön və arxa hissələrini qaynaq etmək üçün bir lehimləmə dəmiri istifadə edin.

Bu addımları hər kubit üçün təkrarlayın.

Addım 8: Montaj

Hər kubitin kiçik əsasının arxa tərəfində bir nəzarətçi ilə əlaqə qurmaq üçün servo kabelini çıxarmağa imkan verən bir kəsik var və baza hər qubitin öz -özünə sabit qalması üçün kifayət qədər genişdir, buna görə də qoya bilərsiniz. hər bir servoda uzanan kabellər və onları bir masaya və ya digər düz bir səthə yaydırın. Ancaq bu, onları birləşdirən telləri göstərəcək ….

Mən hiss edirəm ki, telləri görmək uzaqdan qorxulu hərəkət illüziyasını məhv edir, buna görə də telləri tamamilə gizlətməyi üstün tuturam. Bunu etmək üçün bizə lazım olan hər şey, hər bir kubitin altında, servo kabel bağlayıcısının keçə biləcəyi qədər böyük bir çuxur olan bir montaj platformasıdır. Əlbəttə ki, hər kubitin qoyulduğu yerdə qalmasını istərdik, buna görə də bazada üç 1/4-20 vurulmuş delik var. Məqsəd mərkəzdən istifadə etməkdir, amma digərləri işlərin daha etibarlı olmasını təmin etmək üçün və ya mərkəzi iplik həddindən artıq sıxılma ilə soyulanda istifadə edilə bilər. Beləliklə, biri hər qubit üçün bazada bir-birinə yaxın olan iki deşik qazır: biri 1/4-20 vida sapından, digəri servo kabel konnektorundan keçir.

3/4 "ağac ən çox yayıldığı üçün, ehtimal ki, bunu mənim üçün olduğu kimi, bazanın üst hissəsi üçün istifadə etmək istəyəcəksiniz. Bu halda, təxminən 1/4-20 vida və ya bolt təxminən 1.25" uzun Onları hər hansı bir hardware mağazasında təxminən altı dollara satın ala bilərsiniz. Alternativ olaraq, onları 3D çap edə bilərsiniz … ancaq çap etsəniz, onları bir-bir çap etməyi məsləhət görürəm, çünki bu, incə vida sapındakı qüsurları minimuma endirir.

Aydındır ki, montajın ölçüləri kritik deyil, ancaq ehtiyacınız olan uzatma kabellərinin uzunluğunu təyin edəcəklər. KREQC, üç qubitdən ibarət iki sıra olaraq, montajın əl çantasına sığması üçün edildi və bu şəkildə IEEE/ACM SC18 araşdırma sərgisinə gətirdik.

Addım 9: Markalayın

Son addım olaraq, kvant kompüterinizi etiketləməyi unutmayın!

Qızılın üzərinə qara rəngli bir etiket yazdırdıq, sonra bazanın taxta ön hissəsinə bərkidildi. Lazımi və ya inkjet printerlə əlavə edilmiş PDF etiketinin şəklinin 2D çap edilməsi kimi digər vasitələrlə özünüzü etiketləməkdən çekinmeyin. Hər kubitəni öz mövqeyi ilə etiketləmək də zərər verməz, xüsusən də qubitləri bazada necə təşkil etdiyiniz barədə çox yaradıcı olsanız.

3D çaplı qubit açarlıqlarını paylamaqdan da zövq ala bilərsiniz; nə dolaşırlar, nə də motorlu olurlar, ancaq onlara üfürəndə sərbəst fırlanırlar və KREQC nümayişinin evə aparılmasını xatırladırlar.