KREQC: Кентуккинин Ротациялык Эмуляцияланган Кванттык Компьютери: 9 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Биз муну "крик" деп атайбыз - KREQC деп жазылат: Кентуккинин Ротационалдык Эмуляцияланган Кванттык Компьютери. Ооба, бул көрсөтмө сизге бөлмө температурасында ишенимдүү иштеген 1/2 кванттык компьютерди кантип жасоону көрсөтөт. Курулуштун жалпы баасы 50-100 доллар.

Экинчи сүрөттө көрсөтүлгөн IBM Q кванттык компьютеринен айырмаланып, KREQC кванттык физика кубулуштарын толугу менен аралашкан кубиттерди ишке ашыруу үчүн колдонбойт. Менимче, биз бардыгы кванттык физиканы колдонот деп талашып-тартыша алабыз деп ойлойм, бирок бул KREQCде Эйнштейндин "алыстан коркунучтуу аракетин" ишке ашырган кадимки эле көзөмөлдөгөн сервос. Башка жагынан алганда, бул серверлер KREQCге жүрүм -турумду жакшы тууроого мүмкүндүк берет, бул операцияны көрүүгө жана түшүндүрүүгө оңой кылат. Түшүндүрмөлөр жөнүндө айтсам ….

1 -кадам: Кванттык компьютер деген эмне?

Биздин түшүндүрмөнү берерден мурун, бул жерде IBM Q Experience документтеринин жакшы түшүндүрмөсүнө шилтеме бар. Эми биз ок атабыз ….

Албетте, сиз кубиттин кванттык компьютерлерде сыйкырдуу эсептөө жөндөмдүүлүгүн кандайча берерин бир аздан көп уктуңуз. Негизги идея: кадимки бит 0 же 1 болушу мүмкүн, бирок кубит 0, 1 же белгисиз болушу мүмкүн. Өзүнчө, бул өзгөчө пайдалуу көрүнбөйт - жана бир кубит менен андай эмес - бирок бир нече чырмалышкан кубиттер абдан пайдалуу касиетке ээ, алардын белгисиз баалуулуктары бир эле учурда бит баалуулуктарынын бардык мүмкүн болгон айкалыштарын камтыйт. Мисалы, 6 бит 0дөн 63кө чейин бир мааниге ээ болушу мүмкүн (б.а. 2^6), ал эми 6 кубит белгисиз мааниге ээ болушу мүмкүн, бул 0дөн 63кө чейинки бардык маанилер, мүмкүн болгон ар бир мааниге байланышкан ыктымалдуу ыктымалдуулук. Кубиттин мааниси окулганда, анын мааниси жана ага аралашкан бардык кубиттер аныкталат, ар бир кубит үчүн бирдиктүү окуу ыктымалдыгы боюнча кокусунан тандалат; эгерде белгисиз мааниси 75% 42 жана 25% 0 болсо, анда болжол менен ар бир төрт жолу кванттык эсептөө жүргүзүлөт, натыйжа 42 болот, калган убакта 0 болот. бардык мүмкүн болгон баалуулуктар жана бир эле убакта көптөгөн баалуулуктарды аракет кылып, бир (мүмкүн болгон бир нече) жарактуу жоопторду кайтарат - бул кызыктуу бөлүк. Бир 6-кубит тутуму кыла ала турган нерсени жасоо үчүн 64 6-бит системасы керек.

KREQCтин 6 толук чырмалышкан кубиттеринин ар бири 0, 1 же аныкталбаган айлануу маанисине ээ болушу мүмкүн. Түзүлүүчү белгисиз маанини горизонталдык абалда турган бардык кубиттер көрсөтөт. Кванттык эсептөө жүрүп жаткандыктан, ар кандай маанилердин ыктымалдуулугу өзгөрөт - KREQCде кубиттин жеке кубиттери титиреп, маанилердин ыктымалдыгын чагылдырган статистикалык позицияларды билдирет. Акыр -аягы, кванттык эсептөө чырмалышкан кубиттерди өлчөө менен токтотулат, бул аныкталбаган маанини толугу менен 0s жана 1s ырааттуулугуна түшүрөт. Жогорудагы видеодо сиз KREQC "жашоонун, ааламдын жана баардык нерсенин акыркы суроосуна жоопту" эсептеп жатканын көрөсүз, башкача айтканда, 42 … экиликте 101010, кубиттердин арткы катарында 101 жана 010 алдыңкы.

Албетте, кванттык компьютерлерде кээ бир көйгөйлөр бар, жана KREQC аларга да зыян келтирет. Ачык көрүнүп тургандай, биз 6 гана эмес, миллиондогон кубиттерди каалайбыз. Бирок, кванттык компьютерлер комбинатордук логиканы гана ишке ашыраарын белгилей кетүү маанилүү - биз компьютер инженерлери мамлекеттик машина деп атайбыз. Негизинен, бул кванттык машинанын Тюринг машинасына же кадимки компьютерге караганда жөндөмдүүлүгү төмөн экенин билдирет. KREQCдин мисалында, биз KREQCти кадимки компьютердин жардамы менен башкаруу аркылуу мамлекеттик машиналарды ишке ашырабыз.

Ошентип, келгиле, бөлмө температурасындагы кванттык компьютерди куралы!

2 -кадам: Куралдар, тетиктер жана материалдар

KREQC үчүн көп нерсе жок, бирок сизге айрым тетиктер жана шаймандар керек болот. Келгиле, куралдар менен баштайлы:

• Керектөөчү класстагы 3D принтерге жетүү. CNC фрезер станогунун жана жыгачтын жардамы менен KREQCдин кубиттерин жасоого мүмкүн болмок, бирок аларды PLA пластиктен экструддоо жолу менен жасоо оңой жана тыкан. Эң чоң 3D басылган бөлүгү 180х195х34мм, ошондуктан принтерде бир бөлүктө басып чыгаруу үчүн жетиштүү чоң көлөм бар болсо, иштер бир топ оңой болот.
• Бир ширетүүчү темир. PLA бөлүктөрүн ширетүүдө колдонулат.
• Зым кескичтер же калыңдыгы 1 мм болгон пластикалык бөлүктөрдү (серво мүйүздөрүн) кесе турган башка нерсе.
• Каалоо боюнча, кубиттерди орнотуу үчүн жыгачтан база жасоо үчүн жыгач иштетүүчү шаймандар. Базага такыр эле муктаждык жок, анткени ар бир битке контролдук кабелдин арткы жагына чыгууга мүмкүндүк берген орнотулган стенд бар.

Сизге көптөгөн бөлүктөрдүн да, материалдардын да кереги жок:

• Кубиттерди даярдоо үчүн PLA. Эгерде 100% толтуруу менен басып чыгарылса, ал дагы эле кубитке 700 граммдан аз PLA болмок; акылга сыярлык 25% толтурганда, 300 грамм жакшы баа болмок. Ошентип, 6 кубитти бир эле 2кг катушканы колдонуп жасоого болот, материалдык баасы 15 доллардын тегерегинде.
• Бир кубикке бир SG90 микро сервосу. Булар ар бири 2 доллардан төмөн жеткиликтүү. 180 градустук позициялоо операциясын көрсөткөн микро серволорду алууну унутпаңыз-сиз 90 градусту каалабайсыз жана өзгөрүлмө ылдамдыкта үзгүлтүксүз айлануу үчүн иштелип чыкканды каалабайсыз.
• Серво көзөмөлдөөчү такта. Ардуинону колдонууну камтыган көптөгөн тандоо бар, бирок эң оңой тандоо-бул Pololu Micro Maestro 6 каналдуу USB Servo Controller, баасы 20 доллардан төмөн. 12, 18 же 24 каналды башкара турган башка версиялар бар.
• Зарылчылыгына жараша SG90s үчүн узартуу кабелдери. SG90sдагы кабелдердин узундугу бир аз айырмаланат, бирок сизге эң азы 6 дюймдан ажыратуу үчүн кубиттер керек болот, андыктан узартуу кабелдери керек болот. Булар узундугуна жараша ар бири 0,50 доллардан төмөн.
• Pololu жана SG90s үчүн 5V электр булагы. Адатта, Pololu ноутбукка USB туташуусу аркылуу иштейт, бирок серво үчүн өзүнчө электр булагына ээ болуу акылдуулукка жатат. Мен 5V 2.5A дубал сөөлүн колдондум, бирок жаңы 3Аны 5 долларга чейин сатып алууга болот.
• Кошумча, нерселерди бириктирүү үчүн 2 тараптуу тасма. VHB (Абдан Жогорку Бонд) тасмасы ар бир кубиттин сырткы корпусун чогуу кармап туруу үчүн жакшы иштейт, бирок ширетүү, эгер сиз аны бөлүп салуунун кажети жок болсо, андан да жакшы иштейт.
• Ыктыярдуу түрдө, жыгач жана базаны жасоо үчүн керектүү жабдыктар. Биздики дүкөндүн калдыктарынан жасалган жана печеньенин бириктиргичтери менен бириктирилген, акыркы кат катары тунук полиуретанды бир нече катмардан турат.

Баары айтылып өткөндөй, биз курган 6-кубит KREQC баасы 50 долларга жакын.

3-кадам: 3D басып чыгарылган бөлүктөр: Ички бөлүк

Бардык 3D басылган бөлүктөрдүн дизайны Thingiverseде Thing 3225678 катары эркин жеткиликтүү. Азыр көчүрмөсүн алыңыз … биз күтөбүз ….

Аа, тезирээк кайтып келесиңби? Макул. Кубиттеги чыныгы "бит" - бул эки бөлүктө басылган жөнөкөй бөлүк, анткени эки бөлүктү ширетүү менен күрөшүү бир бөлүктүн эки жагына көтөрүлгөн тамгаларды басып чыгарууга караганда жеңилирээк.

Мен муну qubitтин сырткы бөлүгүнө карама -каршы түстө басып чыгарууну сунуштайм - кара, мисалы. Биздин версияда, биз контрастты берүү үчүн үстүнкү 0,5 мм ак түстө басып чыгардык, бирок бул өзгөрүүчү жипти талап кылды. Эгер андай кылгыңыз келбесе, анда сиз "1" менен "0дун" көтөрүлгөн беттерин дайыма боёп койсоңуз болот. Бул эки бөлүк тең аралыксыз жана демек тирөөчсүз басып чыгарат. Биз 25% толтуруу жана 0.25мм экструзия бийиктигин колдондук.

4-кадам: 3D басылган бөлүктөрү: тышкы бөлүгү

Ар бир кубиттин сырткы бөлүгү бир аз татаалыраак. Биринчиден, бул бөлүктөр чоң жана жалпак, ошондуктан сиздин басып жаткан төшөгүңүздөн көп нерселер көтөрүлөт. Мен адатта ысык айнекке басып чыгарам, бирок булар буралып кетпеши үчүн ысык көк сүрөтчүнүн лентасына кошумча таякчаны басып чыгарууну талап кылган. Дагы, 25% толтуруу жана 0,25мм катмар бийиктиги жетиштүү болушу керек.

Бул бөлүктөрдүн экөөнүн тең аралыгы бар. Сервону кармаган көңдөйдүн эки тарабы тең бар жана бул көңдөйдүн өлчөмдөрү туура болушу өтө маанилүү - ошондуктан аны колдоо менен басып чыгаруу керек. Кабелдик багыттоочу канал бир гана калыңыраак тарапта жана эң кичине бөлүгүн эске албаганда, ар кандай аралыкты болтурбоо үчүн курулган. Эки бөлүктө тең базанын ичи техникалык жактан базанын ички ийри сызыгы үчүн колдоого алынбаган аралыкка ээ, бирок басып чыгаруунун бул бөлүгү бир аз ийилип калса, мааниге ээ эмес, андыктан ал жерде колдоого муктаж эмессиз.

Дагы, ички бөлүктөргө карама -каршы келген түс тандоосу кубиттердин "Q" сынын дагы көрүнүктүү кылат. Биз "AGGREGATE. ORG" жана "UKY. EDU" бөлүктөрүн көк PLA фондо ак PLA менен басып чыгарганыбызга карабай, дененин түсү жагымдуу болуп көрүнүшү мүмкүн. Дизайн кайдан келгенин көрүүчүлөргө эскертүү үчүн аларды ошол жерге таштаганыңыз үчүн ыраазыбыз, бирок бул URL'дерди визуалдуу түрдө кыйкыруунун кажети жок.

Бул бөлүктөр басылып чыккандан кийин, колдоо материалын алып салыңыз жана сервонун эки бөлүктү бириктиргенин текшериңиз. Эгерде ал туура келбесе, колдоо материалын тандап алууну улантыңыз. Бул абдан тыгыз окшоштук, бирок эки бөлүктүн тең жылышына жол бериши керек. Басып чыгарууда атайылап эч кандай тегиздөө структуралары жок экенин байкаңыз, анткени кичине кыйшайып кетүү да аларды чогултууга жол бербейт.

5 -кадам: Ички бөлүктү чогултуу

Эки ички бөлүктү алып, "1" сол жагындагы учтуу бурулуш "0" боюнча учтуу бурулуш менен тизиле тургандай кылып, аларды артка тегиздөө. Кааласаңыз, аларды эки тараптуу скотч менен убактылуу кармап турсаңыз болот, бирок ачкычы аларды ширетүү үчүн ысык ширеткичти колдонуу керек.

Четтери бириккен жерде ширетүү жетиштүү. Муну алгач ширетүү менен, ПЛАны эки бөлүктүн ортосунан бир нече жерге сүйрөө үчүн, темирди колдонуңуз. Бөлүктөр бири -бирине жабышкандан кийин, туруктуу ширетүү үчүн тигүүчү тегеректин тегерегине чуркагыла. Эки бөлүк жогорудагы сүрөттө көрсөтүлгөн бөлүктү түзүшү керек.

Сиз бул ширетилген бөлүктүн арткы сырткы бөлүгүнө салуу менен анын тууралыгын текшере аласыз. Серво көңдөйү жок тарапка учтуу бурулушту алуу үчүн аны бир аз кыйшайтуу керек болот, бирок киргенде, ал эркин айланышы керек.

6 -кадам: Сервону багыттоо жана мүйүздү коюу

Бул иштеши үчүн, биз servo башкаруу жана айлануу абалынын ортосунда түздөн -түз кат алышуубуз керек. Ар бир серво минималдуу жана максималдуу импульстун кеңдигине жооп берет. Сиз аларды серверлериңиз үчүн эмпирикалык түрдө табышыңыз керек, анткени биз 180 градустук кыймылга ишенебиз жана ар кандай өндүрүүчүлөр SG90ларды бир аз башкача баалуулуктар менен чыгарышат (чынында, алардын өлчөмдөрү да бир аз башкачараак, бирок уруксат берилген мейкиндикке туура келет). Импульстун эң кыска туурасын "0", эң узунун "1" деп атайлы.

Сервоңуз менен келген мүйүздөрдүн бирин алыңыз жана зым кескичтерди же башка шайманды колдонуп канатын кыркыңыз - жогоруда сүрөттө көрүнүп тургандай. Серводогу эң сонун тиштүү чайырды 3D басып чыгаруу өтө кыйын, ошондуктан биз анын ордуна мүйүздөрдүн биринин борборун колдонобуз. Кесилген серво мүйүзүн серволордун бирине коюңуз. Эми сервону сайыңыз, аны "1" абалына коюп, ошол абалда калтырыңыз.

Сиз, балким, учтуу эмес бураманын цилиндр формасындагы көңдөйү бар экенин байкап калдыңыз, бул сиздин сервонун тиштүү башынын өлчөмүнө жакын-жана кыркылган мүйүз борборуңуздун диаметринен бир аз кичине. Ысык ширетүүчү үтүктү алып, аны тешиктин ичине, ошондой эле кыркылган мүйүз борборунун сыртына акырын айлантыңыз; сиз да эрип кетүүгө аракет кылбайсыз, бирок аларды жумшартуу үчүн. Андан кийин, сервону кармап, мүйүздүн борборун түз бурчтун тешигине түртүп, servo "1" абалында болушу керек - ички бөлүгү "1" көрсөтөт. сырткы арткы бөлүгүндөгү көңдөйдө эс алуу.

Сиз мүйүзгө абдан бекем байланыш түзүп, кыркылган мүйүздү түртүп жатып, PLAнын бир аз бүктөлгөнүн көрүшүңүз керек. Байланышты бир аз муздатып, анан сервону сууруп алыңыз. Мүйүз азыр бөлүктү жакшы байланыштырышы керек, ошондо servo эч кандай олуттуу ойнобой эле бөлүктү эркин айланта алат.

7 -кадам: Ар бир кубитти чогултуп алыңыз

Эми сиз кубиттерди курууга даярсыз. Тышкы арткы бөлүктү тегиз жерге (мисалы, столго) койгула, ошентип servo көңдөйү өйдө карайт жана стенд сырткы арткы бөлүгү тегиз отурат. Эми мүйүз менен бекитилген сервону жана ички бөлүктү алып, арткы сырткы бөлүгүнө салыңыз. Ал үчүн сервого келген кабелди каналга басыңыз.

Баары тегиз отургандан кийин, алдыңкы сырткы бөлүктү жыйнактын үстүнө коюңуз. Сервону туташтырып, эч нерсе байлабаганына же туура эмес тегизделгенине ынануу үчүн, чогулушту бирге кармап туруңуз. Эми же VHB лентасын колдонуңуз, же сырткы алдыңкы жана арткы бөлүгүн ширетүү үчүн ширеткичти колдонуңуз.

Бул кадамдарды ар бир кубит үчүн кайталаңыз.

8 -кадам: орнотуу

Ар бир кубиттин кичинекей базасынын арт жагында кескич бар, ал контроллериңизге туташтыруу үчүн арт жагын серво кабелинен чыгарууга мүмкүндүк берет жана база ар бир кубит өзү үчүн туруктуу болушу үчүн жетишерлик кенен, андыктан сиз жөн эле койсоңуз болот. узартуу кабелдери ар бир servo боюнча жана аларды столго же башка тегиз жерге жайып иштетүү. Бирок, бул аларды байланыштырган зымдарды көрсөтөт ….

Мен зымдарды көрүү алыстан коркунучтуу кыймылдын элесин кыйратарын сезем, ошондуктан зымдарды толугу менен жашырууну туура көрөм. Бул үчүн бизге керек болгон нерсе - бул ар бир кубиттин астындагы тешиги бар, ал servo кабель туташтыргычы өтө турган чоң. Албетте, биз ар бир кубит кайсы жерде болсо, ошол жерде калышын каалайбыз, андыктан базада үч 1/4-20 тапталган тешик бар. Максат - борборду колдонуу, ал эми башкалары нерселерди коопсуз кылуу үчүн колдонулушу мүмкүн же борбордук жип өтө бекемделип кетсе. Ошентип, бири базада тыгыз жайгашкан эки тешикти ар бир кубит үчүн бургулайт: бири 1/4-20 бурамалуу жипти, экинчиси серво кабелинин туташтыргычын өткөрөт.

3/4 "жыгач эң кеңири таралгандыктан, мен аны базанын чокусуна колдонгуң келет. Мындай учурда сизге 1/4-20 бурама же болт болжол менен 1,25" керек болот. узун. Сиз аларды каалаган жабдык дүкөнүнөн болжол менен 1 долларга сатып ала аласыз. Же болбосо, сиз аларды 3D басып чыгара аласыз … бирок мен сиз аларды басып чыгарсаңыз, бирден басып чыгарууну сунуштайм, анткени бул майда бурамалуу жиптеги кемчиликтерди азайтат.

Албетте, тоонун өлчөмдөрү анча маанилүү эмес, бирок алар сизге керектүү узартуучу кабелдердин узундугун аныктайт. KREQC негизинен тоонун көтөрүлө турган чемоданга туура келиши үчүн үч кубит эки катар болуп жасалган, муну биз IEEE/ACM SC18 изилдөө көргөзмөсүнө алып келгенбиз.

9 -кадам: Бренд

Акыркы кадам катары, кванттык компьютериңизди белгилөөнү унутпаңыз!

Биз алтындын үстүнө кара түстөгү аталыш тактасын 3D басып чыгардык, ал базанын жыгач бетине бекитилген. Өзүңүздү башка жолдор менен белгилеп коюңуз, мисалы, тиркелген PDF тактасынын сүрөтүн лазер же сыя принтер менен 2D форматында басып чыгаруу. Ар бир кубитти позициясы менен белгилөөнүн зыяны жок, айрыкча, эгер сиз кубиттерди базага кантип жайгаштыруу жөнүндө өтө чыгармачыл болсоңуз.

Сиз ошондой эле 3D басылган qubit ачкычтарын тапшыруудан ырахат алсаңыз болот; алар чырмалышкан эмес жана моторлоштурулган эмес, бирок сиз аларга сокку урганда жана KREQC демонстрациясын үйгө алып баруу үчүн ээн-эркин айланат.