KREQC: Kentucky'nin Döner Olarak Öykünülmüş Kuantum Bilgisayarı: 9 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Biz buna "dere" diyoruz -- KREQC: Kentucky'nin Döner Olarak Öykünülmüş Kuantum Bilgisayarı. Evet, bu talimat size, minimum yaklaşık 1/2 saniye döngü süresi ile oda sıcaklığında güvenilir bir şekilde çalışan kendi çalışan kuantum bilgisayarınızı nasıl yapacağınızı gösterecektir. Toplam yapım maliyeti 50-100$'dır.

İkinci fotoğrafta gösterilen IBM Q kuantum bilgisayarından farklı olarak, KREQC, tamamen dolaşmış kübitlerini uygulamak için doğrudan kuantum fiziği fenomenlerini kullanmıyor. Sanırım her şeyin kuantum fiziğini kullandığını iddia edebiliriz, ancak aslında Einstein'ın "uzaktan ürkütücü eylemini" KREQC'de uygulayan geleneksel olarak kontrol edilen servolardır. Öte yandan, bu servolar KREQC'nin davranışı oldukça iyi taklit etmesine izin vererek işlemin görülmesini ve açıklanmasını kolaylaştırır. Açıklamalardan bahsetmişken….

Adım 1: Kuantum Bilgisayar Nedir?

Açıklamamızı yapmadan önce, IBM Q Experience belgelerinden güzel bir açıklamanın bağlantısını burada bulabilirsiniz. Şimdi atışımızı yapacağız….

Şüphesiz, kubitlerin kuantum bilgisayarlarda sihirli hesaplama yeteneklerini nasıl bahşettikleri hakkında birazdan daha fazlasını (punto amaçlı) duymuşsunuzdur. Temel fikir, sıradan bir bit 0 veya 1 olabilirken, bir kübit 0, 1 veya belirsiz olabilir. Kendi başına, bu özellikle yararlı görünmüyor - ve sadece bir kübitle değil - ama birden çok dolaşmış kübit, belirsiz değerlerinin aynı anda tüm olası bit değerleri kombinasyonlarını kapsayabilmesi gibi oldukça kullanışlı bir özelliğe sahiptir. Örneğin, 6 bit 0'dan 63'e (yani 2^6) herhangi bir değere sahip olabilirken, 6 kübit, her olası değerle ilişkili potansiyel olarak farklı bir olasılıkla 0'dan 63'e kadar tüm değerler olan belirsiz bir değere sahip olabilir. Bir kübitin değeri okunduğunda, onun ve ona dolanan tüm kübitlerin değerleri belirlenir, her kübit için okunan tek değer olasılıklara göre rastgele seçilir; belirsiz değer %75 42 ve %25 0 ise, kuantum hesaplamanın yapıldığı her dört seferden yaklaşık 3'ü sonuç 42 ve diğer zamanlarda 0 olacaktır. Kilit nokta, kuantum hesaplamanın değerlendirdiğidir. tüm olası değerler ve bir (potansiyel olarak birden çok) geçerli yanıt verir, üstel olarak birçok değeri aynı anda deneyerek - ve bu heyecan verici kısımdır. Bir 6-bitlik sistemin yapabildiğini yapmak için 64 6-bit sistem gerekir.

KREQC'nin 6 tamamen dolaşmış kübitinin her biri, 0, 1 veya belirsiz olan bir dönme değerine sahip olabilir. Eşit olası belirsiz değer, tüm kübitlerin yatay konumda olmasıyla temsil edilir. Kuantum hesaplaması devam ettikçe, farklı değerlerin olasılıkları değişir - KREQC'de sallanan ve değerlerin olasılıklarını yansıtan istatistiksel konumların varsayıldığı bireysel kübitlerle temsil edilir. Sonunda kuantum hesaplaması, belirsiz değeri tam olarak belirlenmiş bir 0'lar ve 1'ler dizisine daraltan dolaşmış kübitler ölçülerek sonlandırılır. Yukarıdaki videoda, KREQC'nin "yaşam, evren ve her şeyle ilgili nihai sorunun cevabını" hesapladığını görüyorsunuz -- başka bir deyişle, 42… ikili olarak 101010, 101 kübitlerin arka sırasında ve 010'da 010. ön.

Tabii ki, kuantum bilgisayarlarla ilgili bazı sorunlar var ve KREQC de bunlardan muzdarip. Bariz bir tanesi, gerçekten sadece 6 değil, milyonlarca kübit istediğimizdir. Bununla birlikte, kuantum bilgisayarların, bilgisayar mühendislerinin durum makinesi dediğimiz şeyin aksine, yalnızca birleşimsel mantık uyguladığını da belirtmek önemlidir. Temel olarak bu, bir kuantum makinesinin kendi başına bir Turing makinesinden veya geleneksel bir bilgisayardan daha az yetenekli olduğu anlamına gelir. KREQC örneğinde, durum makinesinin yürütülmesinde durum ziyareti başına bir tane olmak üzere bir dizi kuantum hesaplaması gerçekleştirmek için geleneksel bir bilgisayar kullanarak KREQC'yi kontrol ederek durum makinelerini uygularız.

O halde hadi gidip oda sıcaklığında bir kuantum bilgisayar yapalım!

Adım 2: Araçlar, Parçalar ve Malzemeler

KREQC için çok fazla bir şey yok, ancak bazı parçalara ve araçlara ihtiyacınız olacak. Araçlarla başlayalım:

• Tüketici sınıfı bir 3D yazıcıya erişim. KREQC'nin kübitlerini bir CNC freze makinesi ve ahşap kullanarak yapmak mümkün olabilir, ancak PLA plastiği ekstrüde ederek bunları yapmak çok daha kolay ve düzgün. 3D yazdırılan en büyük parça 180x195x34mm'dir, bu nedenle yazıcının tek parça halinde basmak için yeterince büyük bir baskı hacmi varsa işler çok daha kolaydır.
• Bir havya. PLA parçalarının kaynağında kullanılır.
• Tel kesiciler veya 1 mm kalınlığındaki küçük plastik parçaları (servo boynuzları) kesebilen başka bir şey.
• İsteğe bağlı olarak, kübitleri monte etmek için ahşap bir taban yapmak için ahşap işleme aletleri. Bir tabana kesinlikle ihtiyaç duyulmaz çünkü her bir bit, bir kontrol kablosunun arkadan dışarı çıkmasına izin verecek yerleşik bir standa sahiptir.

Çok fazla parçaya veya malzemeye de ihtiyacınız yok:

• Kübitleri yapmak için PLA. %100 dolulukta yazdırılırsa, yine de kübit başına 700 gram PLA'dan daha az olacaktır; daha makul bir %25 dolulukta, 300 gram daha iyi bir tahmin olacaktır. Böylece, sadece bir 2 kg'lık makara kullanılarak, yaklaşık 15 $'lık bir malzeme maliyetiyle 6 kübit yapılabilir.
• Kübit başına bir SG90 mikro servo. Bunlar, her biri 2 doların altında bir fiyata kolayca temin edilebilir. 180 derecelik konumlandırma işlemini belirten mikro servolar aldığınızdan emin olun - 90 derecelik veya değişken hızda sürekli dönüş için tasarlanmış olanları istemezsiniz.
• Bir servo kontrol kartı. Arduino kullanmak da dahil olmak üzere birçok seçenek var, ancak çok kolay bir seçim, maliyeti 20 doların altında olan Pololu Micro Maestro 6 Kanallı USB Servo Denetleyici. 12, 18 veya 24 kanalı işleyebilen başka versiyonlar da vardır.
• Gerektiğinde SG90'lar için uzatma kabloları. SG90'lardaki kabloların uzunlukları biraz farklılık gösterir, ancak en az yaklaşık 6 inç ile ayrılmak için kübitlere ihtiyacınız olacak, bu nedenle uzatma kablolarına ihtiyaç duyulacaktır. Bunlar, uzunluğa bağlı olarak, her biri 0,50 doların altındadır.
• Pololu ve SG90'lar için 5V güç kaynağı. Normalde Pololu, bir dizüstü bilgisayara USB bağlantısı üzerinden güç sağlar, ancak servolar için ayrı bir güç kaynağına sahip olmak akıllıca olabilir. Etrafımda bulunan 5V 2.5A duvar siğilini kullandım, ancak yeni 3A siğilleri 5 doların altında satın alınabilir.
• İsteğe bağlı olarak, nesneleri bir arada tutmak için 2 taraflı bant. VHB (Çok Yüksek Bağlayıcı) bant, her bir kübitin dış kabuğunu bir arada tutmak için iyi çalışır, ancak asla ayırmanız gerekmediğinde kaynak yapmak daha da iyi çalışır.
• İsteğe bağlı olarak, tabanı yapmak için ahşap ve kaplama malzemeleri. Bizimki mağaza artıklarından yapıldı ve son kaplama olarak birkaç kat şeffaf poliüretan ile bisküvi derzleriyle bir arada tutuldu.

Tümüyle, inşa ettiğimiz 6-qubit KREQC'nin sarf malzemesi yaklaşık 50 dolara mal oldu.

3. Adım: 3B Basılı Parçalar: İç Kısım

Tüm 3D baskılı parça tasarımları Thingiverse'de Thing 3225678 olarak ücretsiz olarak mevcuttur. Git kopyanı şimdi al… bekleyeceğiz….

Ah, bu kadar çabuk mu döndün? Tamam. Kübit'teki gerçek "bit", iki parça halinde basılan basit bir parçadır çünkü iki parçayı birbirine kaynaklamak, bir parçanın her iki tarafına kabartma yazı yazdırmak için destek kullanmaktan daha kolaydır.

Bunu, örneğin siyah, kübitin dış kısmı ile kontrast oluşturan bir renkte yazdırmanızı öneririm. Bizim versiyonumuzda, kontrast vermek için en üstteki 0,5 mm'yi beyaz olarak yazdırdık, ancak bu, filamentin değiştirilmesini gerektiriyordu. Bunu yapmamayı tercih ederseniz, her zaman "1" ve "0"ın yükseltilmiş yüzeylerini boyayabilirsiniz. Bu parçaların her ikisi de aralıksız ve dolayısıyla desteksiz yazdırılır. %25 dolgu ve 0.25mm ekstrüzyon yüksekliği kullandık.

Adım 4: 3B Basılı Parçalar: Dış Kısım

Her bir kübitin dış kısmı biraz daha zor bir baskıdır. İlk olarak, bu parçalar büyük ve düzdür, dolayısıyla baskı yatağınızdan çok fazla kaldırmaya tabidir. Normalde sıcak cama yazdırırım, ancak bunlar, bükülmeyi önlemek için sıcak mavi ressamın bandına fazladan baskı çubuğu gerektiriyordu. Yine %25 dolgu ve 0.25mm katman yüksekliği fazlasıyla yeterli olacaktır.

Bu parçaların her ikisinin de açıklıkları vardır. Servoyu tutan boşluk her iki tarafa da yayılmıştır ve bu boşluğun boyutlarının doğru olması çok önemlidir - bu nedenle destekle yazdırılması gerekir. Kablo yönlendirme kanalı yalnızca daha kalın arka taraftadır ve en altta bulunan küçük bir uç dışında herhangi bir açıklıktan kaçınacak şekilde yapılmıştır. Her iki parçada da tabanın içi teknik olarak tabanın iç eğrisi için desteklenmeyen bir açıklığa sahiptir, ancak baskının bu kısmının biraz sarkması önemli değildir, bu yüzden orada desteğe ihtiyacınız yoktur.

Yine, iç kısımlarla kontrast oluşturan bir renk seçimi, kübitlerin "Q" sunu daha görünür hale getirecektir. Ön yüzü mavi PLA arka plan üzerine beyaz PLA'da "AGGREGATE. ORG" ve "UKY. EDU" bölümleriyle basmış olsak da, gövde rengine sahip olmanın düşük kontrastlı görünümünü daha çekici bulabilirsiniz. İzleyicilere tasarımın nereden geldiğini hatırlatmak için onları orada bıraktığınız için teşekkür ederiz, ancak bu URL'leri görsel olarak bağırmanıza gerek yok.

Bu parçalar yazdırıldıktan sonra, herhangi bir destek malzemesini çıkarın ve servonun bir arada tutulan iki parçaya uyduğundan emin olun. Uymuyorsa, destek malzemesini almaya devam edin. Oldukça sıkı bir uyum, ancak her iki yarının da aynı hizada itilmesine izin vermelidir. Baskıda kasıtlı olarak hizalama yapıları olmadığına dikkat edin, çünkü hafif bükülme bile bunların montajı engellemesine neden olabilir.

Adım 5: İç Parçayı Birleştirin

İki iç parçayı alın ve "1"in solundaki sivri mil "0" üzerindeki sivri mil ile aynı hizaya gelecek şekilde arka arkaya hizalayın. İstenirse, bunları geçici olarak 2 taraflı bantla bir arada tutabilirsiniz, ancak anahtar, bunları birbirine kaynak yapmak için sıcak bir havya kullanmaktır.

Kenarların birleştiği yerde kaynak yapılması yeterlidir. Bunu önce PLA'yı iki parça arasında birkaç noktada kenar boyunca birlikte sürüklemek için havya kullanarak punta kaynağı yaparak yapın. Parçalar birbirine yapıştırıldıktan sonra, kalıcı bir kaynak oluşturmak için havyayı dikişin her tarafında gezdirin. İki parça, yukarıdaki resimde gösterilen kısmı yapmalıdır.

Bu kaynaklı parçayı arka dış parçaya takarak uygunluğunu kontrol edebilirsiniz. Sivri pivotu servo boşluğu olmayan tarafa getirmek için hafifçe eğmeniz gerekecek, ancak içeri girdikten sonra serbestçe dönmelidir.

Adım 6: Servoyu Yönlendirin ve Kornayı Ayarlayın

Bunun çalışması için servo kontrolü ile servonun dönme pozisyonu arasında bilinen bir doğrudan yazışmaya ihtiyacımız var. Her servonun yanıt vereceği minimum ve maksimum darbe genişliği vardır. Bunları servolarınız için deneysel olarak keşfetmeniz gerekecek, çünkü biz tam 180 derecelik harekete güveniyoruz ve farklı üreticiler biraz farklı değerlere sahip SG90'lar üretiyorlar (aslında, onlar da biraz farklı boyutlara sahipler, ancak yeterince yakın olmaları gerekir). izin verilen alana sığdırın). En kısa darbe genişliğine "0" ve en uzun "1" diyelim.

Servonuzla birlikte gelen boynuzlardan birini alın ve yukarıdaki fotoğrafta görüldüğü gibi tel kesiciler veya başka bir uygun alet kullanarak kanatları kesin. Servodaki çok ince dişli aralığının 3D olarak yazdırılması çok zordur, bu yüzden bunun yerine servo boynuzlarından birinin merkezini kullanacağız. Kesilmiş servo kornasını servolardan birine koyun. Şimdi servoyu prize takın, "1" konumuna ayarlayın ve bu konumda bırakın.

Muhtemelen sivri olmayan pivotun içinde, servonuzdaki dişli kafasının boyutuyla ilgili olan ve kesilmiş korna merkezinizin çapından biraz daha küçük olan silindirik bir boşluğa sahip olduğunu fark etmişsinizdir. Sıcak havyayı alın ve pivottaki deliğin içinde ve ayrıca kesilmiş korna merkezinin dış çevresinde hafifçe döndürün; sen de eritmeye çalışmıyorsun, sadece yumuşatmak için. Ardından, servoyu tutarak, korna merkezini, servo "1" konumunda olması gereken konumdayken pivottaki deliğe doğru itin - iç kısım, servo olması gerektiği gibi konumlandırıldığında "1"i gösterir. dış arka kısımdaki boşlukta dinleniyor.

Kesilmiş kornayı içeri iterken PLA'nın biraz kendi üzerine katlandığını ve kornaya çok sıkı bir bağlantı oluşturduğunu görmelisiniz. Bağın biraz soğumasını bekleyin ve ardından servoyu dışarı çekin. Korna artık parçayı yeterince iyi bağlamalıdır, böylece servo parçayı önemli bir oynama olmadan serbestçe döndürebilir.

Adım 7: Her Qubit'i Birleştirin

Artık kübitleri oluşturmaya hazırsınız. Dış arka kısmı, servo boşluğu yukarı bakacak ve stand yüzey kenarından sarkacak ve böylece dış arka kısım düz oturacak şekilde düz bir yüzeye (örneğin bir masa) yerleştirin. Şimdi kornanın taktığı servo ve iç parçayı alın ve arka dış parçaya yerleştirin. Bunun için servodan gelen kabloyu kanala bastırın.

Her şey aynı hizada olduğunda, ön dış parçayı tertibatın üzerine yerleştirin. Servoyu bağlayın ve hiçbir şeyin bağlanmadığından veya yanlış hizalanmadığından emin olmak için tertibatı bir arada tutarken çalıştırın. Şimdi ya VHB bant kullanın ya da dış cepheyi ve arka tarafı birbirine kaynaklamak için bir havya kullanın.

Her kübit için bu adımları tekrarlayın.

Adım 8: Montaj

Her bir kübitin küçük tabanının arkasında, kontrol cihazınıza bağlanmak için servo kablosunu arkadan çalıştırmanıza izin verecek bir kesim vardır ve taban, her bir kübitin kendi başına sabit kalması için yeterince geniştir, böylece basitçe koyabilirsiniz. Uzatma kablolarını her bir servo üzerinde tutun ve bunları bir masa veya başka bir düz yüzey boyunca yayın. Ancak, bu onları birbirine bağlayan kabloları gösterecektir….

Kabloları görmenin uzaktan ürkütücü hareket yanılsamasını bozduğunu hissediyorum, bu yüzden kabloları tamamen saklamayı tercih ediyorum. Bunu yapmak için tek ihtiyacımız olan, her kübitin altında servo kablo konektörünün geçebileceği kadar büyük bir delik bulunan bir montaj platformu. Tabii ki, her kübitin yerleştirildiği yerde kalmasını isteriz, bu nedenle tabanda üç adet 1/4-20 dişli delik vardır. Amaç ortadakini kullanmaktır, ancak diğerleri işleri daha güvenli hale getirmek için veya aşırı sıkılarak ortadaki iplik sıyrılırsa kullanılabilir. Böylece, biri her kübit için tabanda birbirine yakın iki delik açar: biri 1/4-20 vida dişi geçirmek için, diğeri servo kablo konektörünü geçirmek için.

3/4" ahşap en yaygın olduğu için, muhtemelen benim yaptığım gibi tabanın üst kısmı için kullanmak isteyeceksiniz. Bu durumda, yaklaşık 1,25" 1/4-20 vida veya cıvataya ihtiyacınız olacak. uzun. Onları herhangi bir hırdavatçıdan altı için yaklaşık 1 $ karşılığında satın alabilirsiniz. Alternatif olarak, bunları 3B yazdırabilirsiniz… ancak yazdırırsanız bunları teker teker yazdırmanızı öneririm çünkü bu, ince vida dişlerindeki kusurları en aza indirir.

Açıkçası, montajın boyutları kritik değildir, ancak ihtiyaç duyacağınız uzatma kablolarının uzunluklarını belirleyecektir. KREQC, montaj parçasının bir el çantasına sığabilmesi için öncelikle iki sıra üç kübit olarak yapıldı, bu şekilde onu IEEE/ACM SC18 araştırma sergimize getirdik.

Adım 9: Markalayın

Son adım olarak, kuantum bilgisayarınızı etiketlemeyi unutmayın!

Altın üzerine siyah bir isim levhasını 3 boyutlu olarak bastık ve daha sonra tabanın ahşap önüne sabitlendi. Ekli PDF isim plakası görüntüsünün bir lazer veya mürekkep püskürtmeli yazıcı ile 2B yazdırılması gibi başka yollarla kendinizinkini etiketlemekten çekinmeyin. Ayrıca, özellikle kübitleri tabanda nasıl düzenlediğiniz konusunda çok yaratıcı olursanız, her bir kübiti konumuyla etiketlemenin zararı olmaz.

Ayrıca 3D baskılı kübit anahtarlıklar dağıtmanın keyfini çıkarabilirsiniz; dolaşık değiller veya motorlu değiller, ancak üzerlerine üflediğinizde serbestçe dönüyorlar ve bir KREQC gösterisini eve götürmek için harika bir hatırlatıcı oluşturuyorlar.