KREQC: מחשב קוונטי חיקוי סיבובי של קנטקי: 9 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

אנו קוראים לזה "נחל" - כתיב KREQC: מחשב קוונטי המחולל סיבוב של קנטקי. כן, מדריך זה יראה לך כיצד להכין מחשב קוונטי עובד בעצמך הפועל באופן אמין בטמפרטורת החדר עם זמן מחזור מינימלי של כ -1/2 שנייה. עלות הבנייה הכוללת היא $ 50-$ 100.

בניגוד למחשב הקוונטי של IBM Q המוצג בתמונה השנייה, KREQC אינה משתמשת ישירות בתופעות פיזיקה קוונטית כדי ליישם את הקוביטים המסתבכים במלואם. ובכן, אני מניח שנוכל לטעון שהכל משתמש בפיזיקה קוונטית, אך למעשה מדובר בסרבים הנשלטים על ידי קונבנציונאלי שמיישמים את "הפעולה המפחידה מרחוק" של איינשטיין ב- KREQC. מצד שני, סרוו אלה מאפשרים ל- KREQC לחקות את ההתנהגות בצורה די טובה, מה שהופך את הפעולה לקלה לראות ולהסביר. אם כבר מדברים על הסברים….

שלב 1: מהו מחשב קוונטי?

לפני מתן ההסבר שלנו, הנה קישור להסבר נחמד מתוך תיעוד IBM Q Experience. עכשיו ננצל …

אין ספק ששמעת לא מעט (משחק מלים מיועד) על האופן שבו הקוביטים מעניקים יכולות חישוביות קסומות במחשבים קוונטיים. הרעיון הבסיסי הוא שבעוד סיביות רגילות יכולות להיות 0 או 1, אך qubit יכול להיות 0, 1 או בלתי מוגדר. כשלעצמו, זה לא נראה שימושי במיוחד - ועם רק קובית אחת זה לא - אבל מספר רב של qubits סבוכים הם בעלי המאפיין שימושי למדי שערכיהם הבלתי מוגדרים יכולים לכסות בו זמנית את כל הצירופים האפשריים של ערכי סיביות. לדוגמה, ל -6 סיביות יכול להיות כל ערך אחד מ -0 עד 63 (כלומר 2^6), בעוד של -6 קוויביט יכול להיות ערך בלתי מוגדר שהוא כל הערכים מ -0 ל -63 עם הסתברות פוטנציאלית שונה לכל ערך אפשרי. כאשר קוראים את הערך של קיביט, ערכיו וכל הקביטים המסתבכים בו נקבעים, כאשר הערך היחיד הנקרא עבור כל קובית נבחר באופן אקראי בהתאם להסתברויות; אם הערך הבלתי מוגדר הוא 75% 42 ו -25% 0, אז בערך 3 מכל ארבע פעמים החישוב הקוונטי מתבצע, התוצאה תהיה 42 והפעמים האחרות היא 0. נקודת המפתח היא שהחישוב הקוונטי מעריך כל הערכים האפשריים ומחזירה אחת (של מספר רב של תשובות תקפות), המנסה ערכים רבים באופן אקספוננציאלי בו זמנית - וזה החלק המרגש. יידרשו 64 מערכות של 6 סיביות לעשות מה שמערכת אחת של 6 קוויט יכולה לעשות.

לכל אחד מ -6 הקוויביטים המסתבכים במלואם של KREQC יכול להיות ערך סיבוב שהוא 0, 1 או בלתי מוגדר. הערך הבלתי מוגדר שניתן לקבוע מיוצג על ידי כל הקיוביטים הנמצאים במיקום האופקי. ככל שהחישוב הקוונטי מתקדם, ההסתברויות לערכים שונים משתנות - המיוצגות ב- KREQC על ידי התנודדות הקוביטים האישיים והנחת עמדות סטטיסטיות המשקפות את הסתברות הערכים. בסופו של דבר, החישוב הקוונטי מסתיים על ידי מדידת הקוביטים המסתבכים, הממוססים את הערך הבלתי מוגדר לרצף שנקבע במלואו של 0 ו -1. בסרטון למעלה אתה רואה את KREQC מחשב את "התשובה לשאלת החיים האולטימטיבית, היקום והכל" - במילים אחרות, 42 … שבבינארית היא 101010, עם 101 בשורה האחורית של קוויביט ו- 010 ב החזית.

כמובן שישנן כמה בעיות במחשבים קוונטיים, וגם KREQC סובל מהן. אחד ברור הוא שאנחנו באמת רוצים מיליוני qubits, לא רק 6. עם זאת, חשוב גם לציין כי מחשבים קוונטיים מיישמים רק לוגיקה קומבינטורית - בניגוד למה שאנו מהנדסי המחשב מכנים מכונת מדינה. ביסודו של דבר, המשמעות היא שמכונה קוונטית כשלעצמה פחות מסוגלת ממכונת טיורינג או מחשב קונבנציונאלי. במקרה של KREQC, אנו מיישמים מכונות מדינה על ידי שליטה ב- KREQC באמצעות מחשב קונבנציונאלי לביצוע רצף של חישובים קוונטיים, אחת לכל ביקור מדינה בביצוע מכונת המדינה.

אז בוא נלך לבנות מחשב קוונטי בטמפרטורת החדר!

שלב 2: כלים, חלקים וחומרים

אין הרבה ל- KREQC, אך תזדקק לכמה חלקים וכלים. נתחיל בכלים:

• גישה למדפסת תלת מימד ברמת הצרכן. אפשר יהיה להכין את ה- qubits של KREQC באמצעות מכונת כרסום CNC ועץ, אבל הרבה יותר קל ומסודר לייצר אותם על ידי הרחצת פלסטיק PLA. החלק המודפס בתלת-ממד הגדול ביותר הוא 180x195x34 מ"מ, כך שהדברים הרבה יותר קלים אם יש למדפסת נפח הדפסה מספיק גדול כדי להדפיס אותה בחתיכה אחת.
• מגהץ. לשמש לריתוך חלקי PLA.
• חותכי תיל או משהו אחר שיכול לחתוך חלקי פלסטיק קטנים בעובי 1 מ"מ (קרני הסרו).
• לחלופין, כלים לעיבוד עץ לייצור בסיס עץ להרכבת הקוביטים. אין צורך בבסיס כיוון שלכל ביט יש מעמד מובנה שיאפשר לכבל בקרה לנתב את החלק האחורי.

אתה גם לא צריך חלקים וחומרים רבים:

• PLA להכנת הקוביטים. אם הוא מודפס במילוי 100%, הוא עדיין יהיה פחות מ -700 גרם PLA לקובית; במילוי סביר יותר של 25%, 300 גרם תהיה הערכה טובה יותר. לפיכך, ניתן היה לבצע 6 קוויטים בעזרת סליל אחד בלבד של 2 ק"ג, בעלות חומרית של כ -15 דולר.
• מיקרו סרוו אחד SG90 לכל קיביט. אלה זמינים עבור פחות מ -2 $ כל אחד. הקפד לקבל מיקרו סרוו המפרטים פעולת מיקום של 180 מעלות-אינך רוצה כאלה של 90 מעלות וגם אינך רוצה כאלה המיועדות לסיבוב רציף במהירות משתנה.
• לוח בקר סרוו. יש הרבה אפשרויות, כולל שימוש בארדואינו, אבל בחירה קלה מאוד היא בקר סרוו USB של ערוץ USB של Pololu Micro Maestro בעלות של פחות מ -20 $. ישנן גרסאות אחרות שיכולות להתמודד עם 12, 18 או 24 ערוצים.
• כבלים מאריכים ל- SG90 לפי הצורך. הכבלים בשדות SG90 משתנים מעט באורך, אך תצטרך להפריד qubits במינימום של כ 6 אינץ ', כך שיהיה צורך בכבלי הארכה. אלה בקלות מתחת ל -0.50 $ כל אחד, תלוי באורך.
• ספק כוח 5V עבור פולו ו- SG90. בדרך כלל, Pololu מופעל באמצעות חיבור USB למחשב נייד, אך יכול להיות חכם שיהיה ספק כוח נפרד לשירותים. השתמשתי ביבלת קיר 5V 2.5A שהייתה לי בסביבה, אך ניתן לרכוש אחת חדשה של 3A בפחות מ -5 $.
• לחלופין, סרט דו צדדי להחזיק דברים ביחד. קלטת VHB (מאוד גבוהה בונד) עובדת היטב בכדי להחזיק את המעטפת החיצונית של כל קובית יחד, אם כי ריתוך עובד אפילו טוב יותר אם לעולם אינך צריך לפרק אותו.
• לחלופין, עץ וציוד גימור לייצור הבסיס. שלנו עשוי מחלקי חנות ומוחזק ביחד על ידי מפרקי ביסקוויטים, עם מספר שכבות של פוליאוריטן שקוף כסיום הסופי.

בסך הכל, ה- KREQC בן 6 הקביעות שבנינו עולה כ -50 דולר במצרכים.

שלב 3: חלקים מודפסים בתלת-ממד: החלק הפנימי

כל עיצובים החלקים המודפסים בתלת מימד זמינים בחופשיות כ- 3225678 Thingiverse. לך תביא את העותק שלך עכשיו … נחכה….

אה, חזר כל כך מהר? בסדר. ה"ביט "בפועל בקובביט הוא חלק פשוט המודפס בשתי חלקים מכיוון שקל יותר להתמודד עם ריתוך שני חלקים יחד מאשר להשתמש בתומכים להדפסת אותיות מורמות משני צידי חלק אחד.

אני ממליץ להדפיס את זה בצבע שמנוגד לחלק החיצוני של הקוביט - שחור, למשל. בגרסתנו, הדפסנו את הלוח העליון של 0.5 מ"מ כדי לתת ניגודיות, אך הדבר דרש החלפת נימה. אם אתה מעדיף שלא לעשות זאת, תוכל תמיד לצבוע את המשטחים המורמים של ה -1 "וה-" 0. " שני החלקים הללו מודפסים ללא טווחים ומכאן ללא תומכים. השתמשנו בגובה 25% מילוי וגובה שחול של 0.25 מ"מ.

שלב 4: חלקים מודפסים בתלת-ממד: החלק החיצוני

החלק החיצוני של כל קובית הוא הדפסה קצת יותר מסובכת. ראשית, פריטים אלה גדולים ושטוחים, ומכאן שהם כפופים להרמה רבה מהמיטה המודפסת שלך. אני בדרך כלל מדפיס על זכוכית חמה, אך אלה דרשו את ההדפסה הנוספת על סרט צייר כחול לוהט כדי להימנע מהתעקמות. שוב, 25% מילוי וגובה שכבה של 0.25 מ מ אמורים להספיק.

לחלקים אלה יש שניהם טווחים. לחלל המחזיק את הסרוו יש טווחים משני הצדדים וחשוב שמידותיו של חלל זה יהיו נכונות - לכן עליו להדפיס עם תמיכה. ערוץ ניתוב הכבלים נמצא רק בצד האחורי העבה יותר, והוא בנוי כך שימנע כל טווח פרט למעט קטין בבסיס עצמו. בחלקו הפנימי של הבסיס בשתי החלקים יש טכנית טווח שאינו נתמך עבור העקומה הפנימית של הבסיס, אבל זה לא משנה אם החלק הזה של ההדפסה צונח מעט, כך שלא תצטרך שם תמיכה.

שוב, בחירת צבע המנוגדת לחלקים הפנימיים תהפוך את ה"ש "של הקוביטים לגלוי יותר. למרות שהדפסנו את החלק הקדמי עם החלקים "AGGREGATE. ORG" ו- "UKY. EDU" בלבן PLA על רקע ה- PLA הכחול, ייתכן שתראה שהמראה בניגודיות נמוכה יותר של צבע הגוף יהיה מושך יותר. אנו מעריכים שאתה משאיר אותם שם כדי להזכיר לצופים מאיפה העיצוב הגיע, אך אין צורך לצעוק באופן ויזואלי את כתובות האתרים האלה.

לאחר שהדפסים חלקים אלה, הסר כל חומר תמיכה וודא שהסרוו מתאים לשתי החלקים המחוברים זה לזה. אם זה לא מתאים, המשך לבחור את חומר התמיכה. ההתאמה צמודה למדי, אך אמורה לאפשר לדחוף את שני החצאים זה לזה. שימו לב שאין בכוונה מבני יישור בהדפסה מכיוון שאפילו עיקום קל יגרום להם למנוע הרכבה.

שלב 5: הרכיב את החלק הפנימי

קח את שני החלקים הפנימיים ויישר אותם גב אל גב כך שהציר המחודד משמאל ל- "1" מסתדר עם הציר המחודד על ה "0." אתה יכול להחזיק אותם באופן זמני בעזרת סרט דו צדדי אם תרצה, אך המפתח הוא להשתמש במגהץ חם לרתך אותם יחד.

מספיק לרתך היכן שהקצוות מתחברים. לעשות זאת על ידי ריתוך הדבקה ראשון באמצעות מגהץ הלחמה כדי לגרור PLA יחד לאורך הקצה בין שני החלקים במספר נקודות. לאחר שהחלקים נדבקים זה לזה, הפעל את מגהץ ההלחמה מסביב לתפר ליצירת ריתוך קבוע. שתי החלקים צריכים ליצור את החלק המוצג בתמונה למעלה.

אתה יכול לבדוק את ההתאמה של חלק מרותך זה על ידי הכנסתו לחלק החיצוני האחורי. יהיה עליך להטות אותו מעט כדי להכניס את הציר המחודד אל הצד שאין בו חלל סרוו, אך פעם אחת הוא אמור להסתובב בחופשיות.

שלב 6: כיוון את הסרוו והנח את הקרן

על מנת שזה יעבוד, עלינו לקבל התאמה ישירה ידועה בין בקרת סרוו למיקום הסיבוב של הסרוו. לכל סרוו יש רוחב דופק מינימלי ומקסימלי שאליו הוא יגיב. תצטרך לגלות אותם מבחינה אמפירית עבור הסרבים שלך, מכיוון שאנו סומכים על התנועה המלאה של 180 מעלות ויצרנים שונים מייצרים מכשירי SG90 עם ערכים מעט שונים (למעשה, יש להם גם גדלים מעט שונים, אך הם צריכים להיות קרובים מספיק ל מתאים בתוך החלל המותר). נקרא לרוחב הדופק הקצר ביותר "0" והארוך ביותר "1".

קח את אחת הקרניים שהגיעו עם הסרוו שלך וקצץ ממנה את הכנפיים באמצעות חותכי תיל או כל כלי מתאים אחר - כפי שניתן לראות בתמונה למעלה. מסלול ההילוכים הדק מאוד בסרוו קשה מאוד להדפיס בתלת מימד, ולכן במקום זאת נשתמש במרכז אחת מקרנות הסרוו לשם כך. הניחו את קרן הסרוו הגזומה על אחד הסרבים. כעת חבר את הסרוו, הגדר אותו למצב "1" והשאיר אותו במצב זה.

בוודאי שמתם לב שלציר הלא מחודד יש חלל גלילי שהוא בערך בגודל ראש ההילוך בסרוו שלכם-וקצת יותר מקוטר מרכז הצופר החתוך שלכם. קח את מגהץ הלחמה החם והסתובב אותו בעדינות בתוך החור בציר וגם מסביב לחלק החיצוני של מרכז הקרן החתוך; אתה גם לא מנסה להמיס, אלא רק כדי להפוך אותם רכים. לאחר מכן, אוחז בסרוו, דחוף את מרכז הצופר הישר לתוך החור בציר כשהשרווו צריך להיות במצב "1" - כשהחלק הפנימי מראה את "1" כאשר הסרוו ממוקם כפי שהוא יהיה כאשר נח בחלל בחלק האחורי החיצוני.

אתה אמור לראות את PLA מתקפל מעט על עצמו כשאתה דוחף פנימה את הקרן החתוכה ויוצר חיבור יציב מאוד לצופר. תנו לקשר להתקרר מעט ולאחר מכן שלפו את הסרוו. הצופר צריך כעת לחבר את החלק מספיק טוב כדי שהסרוו יוכל לסובב את החלק באופן חופשי ללא משחק משמעותי.

שלב 7: הרכיב כל Qubit

עכשיו אתה מוכן לבנות את הקוביטים. הניחו את החלק האחורי החיצוני על משטח שטוח (למשל שולחן) כך שחלל הסרווו פונה כלפי מעלה והעמדה תלויה מעל קצה המשטח כך שהחלק האחורי החיצוני יושב שטוח. כעת קח את סרוו והחלק הפנימי המחובר על ידי הצופר והכנס אותם בחלק החיצוני האחורי. לחץ על הכבל מהסרוו לתוך הערוץ עבורו.

לאחר שכל מה שישב סומק, הניח את החלק החיצוני הקדמי מעל המכלול. חבר את הסרוו והפעל אותו תוך החזקת המכלול יחד כדי לוודא ששום דבר לא נקשר או אינו מיושר. כעת או השתמש בקלטת VHB או השתמש במגהץ כדי לרתך את החלק הקדמי והאחורי יחד.

חזור על שלבים אלה עבור כל קובית.

שלב 8: הרכבה

לבסיס הקטן של כל קובית יש חתך מאחור שיאפשר לך להריץ את כבל הסרוו מהחלק האחורי כדי להתחבר לבקר שלך, והבסיס רחב מספיק כדי שכל קיביט יהיה יציב בפני עצמו, כך שתוכל פשוט לשים כבלי הארכה על כל סרוו והפעל אותם פרושים על פני שולחן או משטח שטוח אחר. עם זאת, זה יראה חוטים המחברים אותם …

אני מרגיש שראיית חוטים הורסת את האשליה של פעולה מפחידה מרחוק, ולכן אני מעדיפה להסתיר את החוטים לגמרי. כדי לעשות זאת, כל מה שאנחנו צריכים הוא פלטפורמת הרכבה עם חור מתחת לכל קיביט שהוא גדול מספיק כדי שמחבר כבל הסרווו יעבור דרכו. כמובן שהיינו רוצים שכל קווביט יישאר במקום בו הוא ממוקם, כך שבבסיס יש שלושה חורים עם 1/4-20 טפחים. הכוונה היא להשתמש במרכז האחד, אך ניתן להשתמש באחרים כדי להפוך את הדברים לאבטחים יותר או אם החוט המרכזי יתפשט על ידי הידוק יתר. לפיכך, אחד מקדח שני חורים בעלי מרווח הדוק בבסיס לכל קיביט: אחד להעביר חוט בורג 1/4-20, השני כדי לעבור את מחבר כבל הסרוו.

מכיוון שעץ בגודל 3/4 אינץ 'הוא הנפוץ ביותר, סביר להניח שתרצה להשתמש בו בחלקו העליון של הבסיס-כפי שעשיתי. במקרה כזה, תזדקק לברג או בורג 1/4-20 בערך 1.25 ארוך. אתה יכול לקנות אותם בכל חנות לחומרי בניין בעלות של כ -1 דולר לשש. לחלופין, אתה יכול להדפיס אותם בתלת מימד … אבל אני ממליץ להדפיס אותם כל פעם אם אתה מדפיס אותם מכיוון שזה ממזער את הפגמים בחוט הבורג הדק.

ברור שמידותיו של ההרכב אינן קריטיות, אך הן יקבעו את אורכי כבלי המאריך שתזדקקו להם. KREQC בוצע כשתי שורות של שלוש קוויביט בעיקר כדי שההרכב יתאים למזוודה נשיאה, וכך הבאנו אותו לתערוכת המחקר שלנו IEEE/ACM SC18.

שלב 9: מותג את זה

כשלב אחרון, אל תשכח לסמן את המחשב הקוונטי שלך!

הדפסנו תלת-מימד לוחית בצבע שחור על זהב, שאחר כך הוצמד לחזית העץ של הבסיס. אל תהסס לסמן את שלך באמצעים אחרים, כגון הדפסה דו-ממדית של תמונת לוח ה- PDF המצורפת באמצעות מדפסת לייזר או הזרקת דיו. זה גם לא יזיק לתייג כל קיביט במיקום שלו, במיוחד אם אתה הופך להיות יצירתי מדי לגבי האופן שבו אתה מסדר את הקוביטים על הבסיס.

אולי תהנה גם מחלק מחזיקי מפתחות קווביט מודפסים בתלת-ממד; הם לא מסתבכים וגם אינם ממונעים, אבל הם מסתובבים בחופשיות כשאתה נושף עליהם ועושה תזכורת נהדרת לקחת הביתה להפגנת KREQC.