KREQC: Máy tính lượng tử được mô phỏng quay của Kentucky: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Chúng tôi gọi nó là "lạch" - đánh vần là KREQC: Máy tính lượng tử mô phỏng quay của Kentucky. Đúng vậy, tài liệu hướng dẫn này sẽ chỉ cho bạn cách tự chế tạo máy tính lượng tử hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ phòng với thời gian chu kỳ tối thiểu khoảng 1/2 giây. Tổng chi phí xây dựng là $ 50- $ 100.

Không giống như máy tính lượng tử IBM Q được hiển thị trong bức ảnh thứ hai, KREQC không trực tiếp sử dụng các hiện tượng vật lý lượng tử để thực hiện các qubit hoàn toàn vướng víu của nó. Chà, tôi cho rằng chúng ta có thể tranh luận mọi thứ đều sử dụng vật lý lượng tử, nhưng nó thực sự chỉ là các Servos được điều khiển thông thường thực hiện "hành động ma quái ở khoảng cách xa" của Einstein trong KREQC. Mặt khác, những Servos đó cho phép KREQC mô phỏng hành vi khá tốt, làm cho hoạt động dễ dàng nhìn thấy và giải thích. Phát biểu giải thích….

Bước 1: Máy tính lượng tử là gì?

Trước khi đưa ra lời giải thích của chúng tôi, đây là liên kết đến một lời giải thích thú vị từ tài liệu IBM Q Experience. Bây giờ chúng ta sẽ chụp….

Không nghi ngờ gì nữa, bạn đã nghe nhiều hơn một chút (dự định chơi chữ) về cách các qubit ban tặng khả năng tính toán kỳ diệu trên máy tính lượng tử. Ý tưởng cơ bản là trong khi một bit thông thường có thể là 0 hoặc 1, thì một qubit có thể là 0, 1 hoặc không xác định. Tự nó, điều đó có vẻ không đặc biệt hữu ích - và chỉ với một qubit thì không - nhưng nhiều qubit vướng víu có đặc tính khá hữu ích là các giá trị không xác định của chúng có thể đồng thời bao hàm tất cả các tổ hợp giá trị bit có thể có. Ví dụ: 6 bit có thể có bất kỳ một giá trị nào từ 0 đến 63 (tức là 2 ^ 6), trong khi 6 qubit có thể có giá trị không xác định là tất cả các giá trị từ 0 đến 63 với một xác suất tiềm năng khác được liên kết với mỗi giá trị có thể. Khi giá trị của một qubit được đọc, các giá trị của nó và tất cả các qubit vướng vào nó sẽ được xác định, với giá trị duy nhất được đọc cho mỗi qubit được chọn ngẫu nhiên phù hợp với xác suất; nếu giá trị không xác định là 75% 42 và 25% 0, thì khoảng 3 trong số bốn lần tính toán lượng tử được thực hiện, kết quả sẽ là 42 và những lần khác sẽ là 0. Điểm mấu chốt là tính toán lượng tử đánh giá tất cả các giá trị có thể có và trả về một (trong số nhiều) câu trả lời hợp lệ, thử đồng thời nhiều giá trị theo cấp số nhân - và đó là phần thú vị. Sẽ cần đến 64 hệ thống 6-bit để làm được những gì mà một hệ thống 6-qubit có thể làm được.

Mỗi trong số 6 qubit vướng víu đầy đủ của KREQC có thể có giá trị quay là 0, 1 hoặc không xác định. Giá trị không xác định tương đương được biểu thị bằng tất cả các qubit ở vị trí ngang. Khi tính toán lượng tử tiến hành, xác suất của các giá trị khác nhau thay đổi - được biểu diễn trong KREQC bằng các qubit riêng lẻ dao động và giả định các vị trí thống kê phản ánh xác suất của các giá trị. Cuối cùng, quá trình tính toán lượng tử được kết thúc bằng cách đo các qubit vướng víu, điều này thu gọn giá trị không xác định thành một chuỗi 0s và 1s được xác định đầy đủ. Trong video ở trên, bạn thấy KREQC tính toán "câu trả lời cho câu hỏi cuối cùng về sự sống, vũ trụ và mọi thứ" - nói cách khác, 42 … trong hệ nhị phân là 101010, với 101 ở hàng sau của qubit và 010 ở mặt trước.

Tất nhiên, có một số vấn đề với máy tính lượng tử và KREQC cũng gặp phải chúng. Một điều hiển nhiên là chúng ta thực sự muốn hàng triệu qubit, không chỉ 6. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là máy tính lượng tử chỉ thực hiện logic tổ hợp - trái ngược với cái mà các kỹ sư máy tính gọi là máy trạng thái. Về cơ bản, điều đó có nghĩa là bản thân một cỗ máy lượng tử có khả năng kém hơn một cỗ máy Turing hoặc một máy tính thông thường. Trong trường hợp của KREQC, chúng tôi triển khai các máy trạng thái bằng cách điều khiển KREQC sử dụng một máy tính thông thường để thực hiện một chuỗi các phép tính lượng tử, một lần cho mỗi lần truy cập trạng thái trong quá trình thực thi của máy trạng thái.

Vì vậy, chúng ta hãy xây dựng một máy tính lượng tử ở nhiệt độ phòng!

Bước 2: Công cụ, bộ phận và vật liệu

Không có nhiều thứ đối với KREQC, nhưng bạn sẽ cần một số bộ phận và công cụ. Hãy bắt đầu với các công cụ:

• Truy cập vào máy in 3D cấp người tiêu dùng. Có thể tạo ra các qubit của KREQC bằng máy phay CNC và gỗ, nhưng việc chế tạo chúng bằng cách đùn nhựa PLA sẽ dễ dàng và gọn gàng hơn rất nhiều. Phần in 3D lớn nhất là 180x195x34mm, vì vậy mọi thứ sẽ dễ dàng hơn nhiều nếu máy in có khối lượng in đủ lớn để in một mảnh.
• Một mỏ hàn. Được sử dụng để hàn các bộ phận PLA.
• Máy cắt dây hoặc một cái gì đó khác có thể cắt các bộ phận nhỏ bằng nhựa dày 1mm (sừng servo).
• Tùy chọn, các công cụ chế biến gỗ để tạo ra một đế gỗ để gắn các qubit. Không hoàn toàn cần đến một chân đế vì mỗi bit đều có một chân đế tích hợp cho phép cáp điều khiển đi ra phía sau.

Bạn cũng không cần nhiều bộ phận cũng như vật liệu:

• PLA để tạo qubit. Nếu được in ở mức lấp đầy 100%, nó vẫn sẽ ít hơn 700 gram PLA trên mỗi qubit; ở mức lấp đầy 25% hợp lý hơn, 300 gam sẽ là một ước tính tốt hơn. Do đó, 6 qubit có thể được tạo ra chỉ bằng một ống chỉ 2kg, với chi phí vật liệu khoảng 15 đô la.
• Một micro servo SG90 cho mỗi qubit. Chúng có sẵn với giá dưới 2 đô la mỗi cái. Hãy chắc chắn nhận được các servo nhỏ chỉ định hoạt động định vị 180 độ - bạn không muốn những cái 90 độ cũng như bạn không muốn những cái được thiết kế để quay liên tục ở tốc độ thay đổi.
• Một bảng điều khiển servo. Có nhiều sự lựa chọn, bao gồm cả việc sử dụng Arduino, nhưng một sự lựa chọn rất dễ dàng là Bộ điều khiển Servo USB 6 kênh Pololu Micro Maestro có giá dưới 20 đô la. Có những phiên bản khác có thể xử lý 12, 18 hoặc 24 kênh.
• Cáp mở rộng cho SG90s nếu cần. Các dây cáp trên SG90s có độ dài hơi khác nhau, nhưng bạn sẽ cần các qubit cách nhau tối thiểu khoảng 6 inch, vì vậy sẽ cần có dây cáp nối dài. Chúng dễ dàng dưới 0,50 đô la mỗi chiếc, tùy thuộc vào độ dài.
• Nguồn cung cấp 5V cho Pololu và SG90. Thông thường, Pololu được cấp nguồn qua kết nối USB với máy tính xách tay, nhưng có thể khôn ngoan hơn nếu có một nguồn cung cấp điện riêng cho Servos. Tôi đã sử dụng một chiếc mụn cóc treo tường 5V 2.5A mà tôi có xung quanh, nhưng những chiếc 3A mới có thể được mua với giá dưới 5 đô la.
• Tùy chọn, băng keo 2 mặt để giữ mọi thứ với nhau. Băng VHB (Liên kết rất cao) hoạt động tốt để giữ vỏ ngoài của mỗi qubit với nhau, mặc dù việc hàn thậm chí còn tốt hơn nếu bạn không bao giờ cần phải tháo nó ra.
• Tùy chọn, gỗ và vật tư hoàn thiện để làm đế. Của chúng tôi được làm từ phế liệu của cửa hàng và được giữ với nhau bằng các khớp nối bánh quy, với một số lớp phủ polyurethane trong suốt như lớp hoàn thiện cuối cùng.

Tất cả đã nói, KREQC 6 qubit mà chúng tôi chế tạo có giá khoảng 50 đô la tiền vật tư.

Bước 3: Các bộ phận được in 3D: Phần bên trong

Tất cả các thiết kế bộ phận in 3D đều có sẵn miễn phí với tên Thing 3225678 tại Thingiverse. Hãy lấy bản sao của bạn ngay bây giờ… chúng tôi sẽ đợi….

À, về sớm vậy? Vâng. Thực tế "bit" trong qubit là một phần đơn giản được in thành hai phần vì việc hàn hai phần với nhau sẽ dễ dàng hơn so với việc sử dụng giá đỡ để in chữ nổi trên cả hai mặt của một phần.

Tôi khuyên bạn nên in cái này bằng màu tương phản với phần bên ngoài của qubit - ví dụ như màu đen. Trong phiên bản của chúng tôi, chúng tôi in 0,5mm trên cùng bằng màu trắng để tạo độ tương phản, nhưng điều đó yêu cầu thay đổi dây tóc. Nếu bạn không muốn làm điều đó, bạn luôn có thể sơn các bề mặt nhô lên của "1" và "0." Cả hai phần này in không có nhịp và do đó không có giá đỡ. Chúng tôi đã sử dụng 25% lấp đầy và chiều cao đùn 0,25mm.

Bước 4: Các bộ phận được in 3D: Phần bên ngoài

Phần bên ngoài của mỗi qubit là một bản in phức tạp hơn một chút. Đầu tiên, những mảnh này lớn và phẳng, do đó phải chịu nhiều lực nâng từ giường in của bạn. Tôi thường in trên thủy tinh nóng, nhưng những thứ này yêu cầu thêm thanh in trên băng keo màu xanh lam nóng để tránh cong vênh. Một lần nữa, tô 25% và chiều cao lớp 0,25mm là quá đủ.

Cả hai phần này cũng có nhịp. Khoang chứa servo có các khoảng mở rộng ở cả hai bên và điều quan trọng là kích thước của khoang này phải chính xác - vì vậy nó cần được in với sự hỗ trợ. Kênh định tuyến cáp chỉ ở mặt sau dày hơn và được xây dựng để tránh bất kỳ nhịp nào ngoại trừ một chút nhỏ ở chính gốc. Về mặt kỹ thuật, bên trong của đế của cả hai phần đều có một khoảng không được hỗ trợ cho đường cong bên trong của đế, nhưng không quan trọng nếu phần đó của bản in bị chùng xuống một chút, vì vậy bạn không cần hỗ trợ ở đó.

Một lần nữa, lựa chọn màu sắc tương phản với các bộ phận bên trong sẽ làm cho chữ "Q" của các qubit rõ ràng hơn. Mặc dù chúng tôi đã in mặt trước với các phần "AGGREGATE. ORG" và "UKY. EDU" bằng PLA màu trắng trên nền PLA màu xanh lam, bạn có thể thấy giao diện có độ tương phản thấp hơn khi có màu thân của chúng hấp dẫn hơn. Chúng tôi đánh giá cao việc bạn để chúng ở đó để nhắc nhở người xem về nguồn gốc của thiết kế, nhưng không cần thiết phải hét lên một cách trực quan các URL này.

Sau khi các bộ phận này đã được in, hãy loại bỏ bất kỳ vật liệu hỗ trợ nào và đảm bảo rằng servo khớp với hai phần được giữ lại với nhau. Nếu nó không vừa, hãy tiếp tục chọn vật liệu hỗ trợ. Nó khá vừa vặn, nhưng nên cho phép cả hai nửa được đẩy ngang nhau. Lưu ý rằng cố tình không có cấu trúc căn chỉnh nào trong bản in vì ngay cả khi cong vênh nhẹ cũng có thể khiến chúng cản trở việc lắp ráp.

Bước 5: Lắp ráp phần bên trong

Lấy hai phần bên trong và căn chỉnh chúng ngược nhau sao cho trục nhọn ở bên trái của "1" thẳng hàng với trục nhọn trên "0." Bạn có thể tạm thời giữ chúng lại với nhau bằng băng dính 2 mặt nếu muốn, nhưng điều quan trọng là dùng mỏ hàn nóng để hàn chúng lại với nhau.

Nó là đủ để hàn nơi các cạnh kết hợp với nhau. Thực hiện điều này bằng cách hàn đầu tiên bằng cách sử dụng mỏ hàn để kéo PLA lại với nhau qua mép giữa hai miếng tại một số điểm. Sau khi các bộ phận đã được gắn chặt với nhau, chạy mỏ hàn xung quanh đường nối để tạo ra một mối hàn cố định. Hai phần sẽ tạo thành một phần được hiển thị trong hình trên.

Bạn có thể kiểm tra độ khít của bộ phận được hàn này bằng cách lắp nó vào bộ phận bên ngoài phía sau. Bạn sẽ cần phải nghiêng nó một chút để đưa trục nhọn vào bên không có khoang servo, nhưng khi đã vào trong, nó sẽ xoay tự do.

Bước 6: Định hướng Servo và Đặt Horn

Để điều này hoạt động, chúng ta cần có sự tương ứng trực tiếp đã biết giữa điều khiển servo và vị trí quay của servo. Mỗi servo có độ rộng xung tối thiểu và tối đa mà nó sẽ đáp ứng. Bạn sẽ cần phải khám phá những điều đó theo kinh nghiệm cho các servo của mình, bởi vì chúng tôi đang dựa vào chuyển động 180 độ hoàn toàn và các nhà sản xuất khác nhau sản xuất SG90 với các giá trị hơi khác nhau (trên thực tế, chúng cũng có kích thước hơi khác nhau, nhưng chúng phải đủ gần để vừa với không gian cho phép). Hãy gọi độ rộng xung ngắn nhất là "0" và dài nhất là "1".

Lấy một trong những chiếc sừng đi kèm với servo của bạn và cắt các cánh của nó bằng cách sử dụng máy cắt dây hoặc bất kỳ công cụ thích hợp nào khác - như trong ảnh ở trên. Bước răng rất nhỏ trên servo rất khó in 3D, vì vậy thay vào đó chúng tôi sẽ sử dụng tâm của một trong các còi servo cho việc đó. Đặt sừng servo đã cắt trên một trong các servo. Bây giờ cắm servo, đặt nó ở vị trí "1" và để nó ở vị trí đó.

Bạn có thể nhận thấy rằng trục không nhọn có một khoang hình trụ trong đó có kích thước bằng đầu bánh răng trên servo của bạn - và hơi nhỏ hơn đường kính của tâm sừng đã được cắt tỉa của bạn. Lấy mỏ hàn nóng và nhẹ nhàng xoáy vào bên trong lỗ trên trục và cả xung quanh bên ngoài của tâm sừng đã cắt; bạn cũng không cố làm tan chảy mà chỉ để làm cho chúng mềm. Tiếp theo, giữ servo, đẩy thẳng tâm còi vào lỗ trên trục với servo ở vị trí "1" - với phần bên trong hiển thị "1" khi servo được định vị như khi nằm trong khoang ở phần ngoài phía sau.

Bạn sẽ thấy PLA tự gập lại một chút khi bạn đẩy chiếc sừng đã cắt vào trong, tạo ra một kết nối rất chắc chắn với sừng. Để liên kết nguội một chút rồi rút servo ra. Còi bây giờ phải liên kết bộ phận đủ tốt để servo có thể tự do quay bộ phận mà không có tiếng động nào đáng kể.

Bước 7: Lắp ráp từng Qubit

Bây giờ bạn đã sẵn sàng để xây dựng các qubit. Đặt phần phía sau bên ngoài lên một bề mặt phẳng (ví dụ: bàn) sao cho khoang servo hướng lên trên và chân đế treo trên mép bề mặt để phần phía sau bên ngoài nằm bằng phẳng. Bây giờ lấy servo và phần bên trong được gắn bởi sừng và lắp chúng vào phần bên ngoài phía sau. Nhấn cáp từ servo vào kênh cho nó.

Sau khi tất cả những gì đã ổn định, hãy đặt phần bên ngoài phía trước lên trên bộ phận lắp ráp. Kết nối servo và vận hành nó trong khi giữ cụm với nhau để đảm bảo không có gì liên kết hoặc bị lệch. Bây giờ hoặc sử dụng băng VHB hoặc sử dụng mỏ hàn để hàn mặt trước và mặt sau bên ngoài với nhau.

Lặp lại các bước này cho mỗi qubit.

Bước 8: Gắn kết

Phần đế nhỏ của mỗi qubit có một vết cắt ở phía sau cho phép bạn chạy cáp servo ra phía sau để kết nối với bộ điều khiển của bạn và phần đế đủ rộng để mỗi qubit tự ổn định, vì vậy bạn có thể chỉ cần đặt cáp mở rộng trên mỗi servo và chạy chúng trải rộng trên bàn hoặc bề mặt phẳng khác. Tuy nhiên, điều đó sẽ hiển thị dây kết nối chúng….

Tôi cảm thấy rằng việc nhìn thấy dây điện làm hỏng ảo giác về hành động ma quái ở khoảng cách xa, vì vậy tôi muốn giấu dây hoàn toàn. Để làm được điều đó, tất cả những gì chúng ta cần là một giá đỡ có lỗ dưới mỗi qubit đủ lớn để đầu nối cáp servo đi qua. Tất nhiên, chúng tôi muốn mỗi qubit ở đúng vị trí của nó, vì vậy có ba lỗ khai thác 1 / 4-20 trên đế. Mục đích là sử dụng luồng trung tâm, nhưng các luồng khác có thể được sử dụng để làm cho mọi thứ an toàn hơn hoặc nếu luồng trung tâm bị tước do siết chặt quá mức. Do đó, người ta khoan hai lỗ có khoảng cách gần nhau trên đế cho mỗi qubit: một lỗ để đi qua ren vít 1 / 4-20, lỗ còn lại để đi qua đầu nối cáp servo.

Vì gỗ 3/4 "là phổ biến nhất, có thể bạn sẽ muốn sử dụng nó cho phần trên cùng của đế - như tôi đã làm. Trong trường hợp đó, bạn sẽ cần một vít hoặc bu lông 1 / 4-20 khoảng 1,25" Dài. Bạn có thể mua chúng ở bất kỳ cửa hàng phần cứng nào với chi phí khoảng 1 đô la cho sáu chiếc. Ngoài ra, bạn có thể in 3D chúng… nhưng tôi khuyên bạn nên in chúng từng cái một nếu bạn in chúng vì điều đó giảm thiểu các khuyết tật trong sợi vít nhỏ.

Rõ ràng, kích thước của ngàm không quan trọng, nhưng chúng sẽ xác định độ dài của cáp kéo dài bạn sẽ cần. KREQC được sản xuất thành hai hàng gồm ba qubit chủ yếu để giá đỡ vừa vặn trong một chiếc vali xách tay, đó là cách chúng tôi mang nó đến triển lãm nghiên cứu IEEE / ACM SC18 của mình.

Bước 9: Xây dựng thương hiệu

Bước cuối cùng, đừng quên dán nhãn cho máy tính lượng tử của bạn!

Chúng tôi đã in 3D một bảng tên bằng màu đen trên nền vàng, sau đó được gắn cố định vào mặt trước bằng gỗ của đế. Vui lòng gắn nhãn của bạn bằng các phương tiện khác, chẳng hạn như in 2D hình ảnh bảng tên PDF đính kèm bằng máy in laser hoặc máy in phun. Việc gắn nhãn từng qubit với vị trí của nó cũng không có hại gì, đặc biệt nếu bạn quá sáng tạo về cách sắp xếp các qubit trên đế.

Bạn cũng có thể thích giao móc khóa qubit in 3D; chúng không vướng víu cũng như không có động cơ, nhưng chúng quay tự do khi bạn thổi vào chúng và tạo ra một lời nhắc nhở tuyệt vời về một cuộc trình diễn KREQC.