KREQC: Кентуккидің айналмалы эмуляцияланған кванттық компьютері: 9 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Біз оны «өзен» деп атаймыз - KREQC деп жазылған: Кентуккидің айналмалы эмуляцияланған кванттық компьютері. Иә, бұл нұсқаулық сізге бөлме температурасында сенімді жұмыс істейтін кванттық компьютерді қалай жасау керектігін көрсетеді, ең аз цикл уақыты шамамен 1/2 секунд. Жалпы құрылыс құны 50-100 доллар.

Екінші суретте көрсетілген IBM Q кванттық компьютерінен айырмашылығы, KREQC кванттық физика құбылыстарын өзінің толық шоғырланған кубиттерін жүзеге асыру үшін тікелей пайдаланбайды. Менің ойымша, біз кванттық физиканы қолдана аламыз деп дауласамыз деп ойлаймын, бірақ бұл KREQC-те Эйнштейннің «алыстағы үрейлі әрекетін» жүзеге асыратын, жай ғана басқарылатын серво. Екінші жағынан, бұл серверлер KREQC -ке мінез -құлықты жақсы имитациялауға мүмкіндік береді, бұл операцияны оңай көруге және түсіндіруге мүмкіндік береді. Түсініктемелер туралы айтатын болсақ …

1 -қадам: Кванттық компьютер дегеніміз не?

Түсініктеме бермес бұрын, мұнда IBM Q Experience құжаттамасының жақсы түсіндірмесіне сілтеме бар. Енді біз суретке түсеміз ….

Әрине, сіз кубиттердің кванттық компьютерлерде сиқырлы есептеу қабілеттерін қалай беретіні туралы біршама естігенсіз. Негізгі идея - қарапайым бит 0 немесе 1 болуы мүмкін, ал кубит 0, 1 немесе анықталмаған болуы мүмкін. Бұл өте пайдалы емес сияқты - және тек бір кубитпен емес - бірақ бірнеше шатастырылған кубиттер пайдалы қасиетке ие, олардың анықталмаған мәндері бір мезгілде бит мәндерінің барлық мүмкін комбинациясын қамти алады. Мысалы, 6 бит 0 -ден 63 -ке дейінгі кез келген бір мәнге ие болуы мүмкін (яғни, 2^6), ал 6 кубит белгісіз мәнге ие болуы мүмкін, ол 0 -ден 63 -ке дейінгі мәндер, ықтимал әр ықтимал мәнмен байланысты. Кубит мәні оқылған кезде, оның мәндері және онымен байланысты барлық кубиттер анықталады, әр кубит үшін оқылатын бір мән ықтималдықтарға сәйкес кездейсоқ таңдалады; егер анықталмайтын мән 75% 42 және 25% 0 болса, онда кванттық есептеулер әр төрт реттен шамамен 3 -тен орындалады, нәтиже 42 болады, ал қалған уақытта 0 болады. барлық ықтимал мәндер және бір мезгілде экспоненциалды түрде көптеген мәндерді қолдана отырып, бір (бірнеше ықтимал) жарамды жауаптарды қайтарады - бұл қызықты бөлім. 6 кубтық бір жүйе жасай алатын нәрсені жасау үшін 64 биттік 64 жүйе қажет.

KREQC-тің әрқайсысы 6 толық кубиттің айналу мәні 0, 1 немесе анықталмаған болуы мүмкін. Мүмкін болатын анықталмайтын мән көлденең күйдегі барлық кубиттермен көрсетіледі. Кванттық есептеулер жүріп жатқанда, әр түрлі мәндердің ықтималдығы өзгереді - KREQC -те жеке кубиттер тербеліп, мәндердің ықтималдығын көрсететін статистикалық позицияларды қабылдайды. Ақырында, кванттық есептеу анықталмаған мәнді толық анықталған 0 мен 1 с тізбегіне ыдырайтын кубиттерді өлшеу арқылы тоқтатылады. Жоғарыдағы бейнеде сіз KREQC -тің «өмірдің, ғаламның және барлық нәрсенің түпкілікті сұрағына жауап» есептейтінін көресіз - басқаша айтқанда 42 … екілік 101010, кубиттердің артқы қатарында 101 және 010 алдыңғы

Әрине, кванттық компьютерлерде кейбір проблемалар бар, ал KREQC -де олар зардап шегеді. Әрине, біз 6 ғана емес, миллиондаған кубит алғымыз келеді. Алайда, кванттық компьютерлер комбинаторлық логиканы ғана қолдана алатынын атап өткен жөн - біз компьютерлік инженерлер мемлекеттік машина деп атаймыз. Негізінде, бұл кванттық машинаның Тюринг машинасына немесе қарапайым компьютерге қарағанда қабілеті төмен екенін білдіреді. KREQC жағдайында, біз KREQC-ті кәдімгі компьютердің көмегімен кванттық есептеулер тізбегін орындау үшін басқару машиналары арқылы жүзеге асырамыз.

Сонымен, бөлме температурасындағы кванттық компьютерді құруға кірісейік!

2 -қадам: құралдар, бөлшектер мен материалдар

KREQC үшін көп нәрсе жоқ, бірақ сізге бөлшектер мен құралдар қажет болады. Құралдардан бастайық:

• Тұтынушыға арналған 3D принтеріне қол жеткізу. CNC фрезер станогы мен ағаштың көмегімен KREQC кубиттерін жасауға болады, бірақ оларды PLA пластиктен экструдтау арқылы жасау әлдеқайда жеңіл және ұқыпты. 3D басып шығарудың ең үлкен бөлігі-180x195x34 мм, сондықтан принтерде оны бір бөлікке басып шығару үшін жеткілікті үлкен баспа көлемі болса, жұмыс әлдеқайда жеңіл болады.
• Пісіру үтігі. PLA бөлшектерін дәнекерлеуге арналған.
• Қалыңдығы 1 мм пластикалық бөлшектерді (серво мүйіздері) кесетін сым кескіштер немесе басқа нәрсе.
• Қажет болса, кубиттерді орнату үшін ағаш негіз жасауға арналған ағаш өңдеу құралдары. Негіз қажет емес, өйткені әрбір битке басқару кабелінің артқы жағына шығуға мүмкіндік беретін бекітілген тірегі бар.

Сізге көптеген бөлшектер мен материалдар қажет емес:

• Қубиттер жасауға арналған PLA. Егер 100% толтырумен басып шығарылса, ол әлі де кубитке 700 грамм PLA аз болады; неғұрлым ақылға қонымды 25% толтыру кезінде 300 грамм жақсы баға болар еді. Осылайша, 6 кубит материалдық құны шамамен 15 доллар болатын бір ғана 2 кг катушкамен жасалуы мүмкін.
• Бір кубитке бір SG90 микросерво. Бұл әрқайсысы 2 доллардан төмен бағамен қол жетімді. 180 градустық орналасу әрекетін көрсететін микросерво алуды ұмытпаңыз-сізге 90 градус қажет емес және айнымалы жылдамдықта үздіксіз айналуға арналған қондырғылар қажет емес.
• Серво контроллері тақтасы. Көптеген таңдау бар, соның ішінде Arduino, бірақ бағасы-20 доллардан төмен Pololu Micro Maestro 6 каналды USB серверлер контроллері. 12, 18 немесе 24 арнаны өңдеуге болатын басқа нұсқалар бар.
• Қажет болған жағдайда SG90s үшін ұзартқыш кабельдер. SG90 -дегі кабельдердің ұзындығы біршама өзгереді, бірақ сізге кем дегенде 6 дюйм қашықтықта кубиттер қажет, сондықтан ұзартқыш кабельдер қажет болады. Бұл ұзындыққа байланысты әрқайсысы 0,50 доллардан төмен.
• Pololu және SG90s үшін 5В қуат көзі. Әдетте, Pololu ноутбукке USB арқылы қосылады, бірақ сервоприводтар үшін бөлек қуат көзі болған дұрыс. Мен 5В 2.5А қабырғаға арналған сүйелді қолдандым, бірақ жаңа 3А -ны 5 долларға сатып алуға болады.
• Қажет болса, заттарды бір-біріне бекіту үшін екі жақты таспа. VHB (Өте жоғары облигация) таспасы әр кубиттың сыртқы қабығын бір-бірімен ұстау үшін жақсы жұмыс істейді, дегенмен дәнекерлеу одан да жақсы жұмыс істейді, егер оны бөліп алудың қажеті болмаса.
• Қажет болса, негіз жасауға арналған ағаш және әрлеу материалдары. Біздікі дүкен қалдықтарынан жасалған және печенье түйіспелерімен бекітілген, соңғы қабат ретінде мөлдір полиуретанды бірнеше қабатты.

Барлығы 6 кубит KREQC бізде шамамен 50 долларға жеткізілді.

3-қадам: 3D басып шығарылған бөлшектер: Ішкі бөлік

3D басып шығарылған бөлшектердің барлық конструкциялары Thingiverse-те Thing 3225678 түрінде еркін қол жетімді. Көшірмеңізді қазір алыңыз, біз күтеміз ….

Аа, тез қайтесің бе? Жарайды ма. Кубиттегі нақты «бит» - бұл екі бөлікке басып шығарылатын қарапайым бөлшек, себебі бір бөліктің екі жағына жоғары әріптерді басып шығару үшін тіректерді пайдаланудан гөрі, екі бөлікті дәнекерлеумен жұмыс істеу оңай.

Мен мұны qubit сыртқы бөлігіне қарама -қарсы түспен басып шығаруды ұсынамын - мысалы, қара. Біздің нұсқада біз контрастты беру үшін үстіңгі жағын 0,5 мм ақ түспен басып шығардық, бірақ бұл талшықты өзгертуді қажет етті. Егер сіз мұны қаламасаңыз, сіз әрқашан «1» мен «0» көтерілген беттерін бояй аласыз. Бұл бөліктердің екеуі де тіректерсіз басып шығарылады. Біз 25% толтыру мен 0,25 мм экструзия биіктігін қолдандық.

4-қадам: 3D басып шығарылған бөлшектер: сыртқы бөлігі

Әр кубиттің сыртқы бөлігі сәл қиынырақ. Біріншіден, бұл бөліктер үлкен және тегіс, сондықтан сіздің баспалық төсегіңізден көп көтеріледі. Мен әдетте ыстық әйнекке басып шығарамын, бірақ бұл үшін бұрмалауды болдырмау үшін ыстық көк бояу таспасында қосымша баспа таяқшасы қажет болды. Тағы да, 25% толтыру және 0,25 мм қабат биіктігі жеткілікті мөлшерде болуы керек.

Бұл бөліктердің екеуінің де аралықтары бар. Серво ұстайтын қуыстың екі жағы да бар және бұл қуыстың өлшемдерінің дұрыс болуы өте маңызды - сондықтан оны тірекпен басып шығару қажет. Кабельдік бағыттау арнасы тек қалың артқы жағында орналасқан және ең аз нүктеден басқа кез келген аралықты болдырмауға арналған. Негіздің ішкі бөлігінде екі бөліктің техникалық негізінің ішкі қисығы үшін қолдау көрсетілмейтін аралық бар, бірақ басылымның бұл бөлігі сәл қисайып кетуі маңызды емес, сондықтан сізге қолдау қажет емес.

Тағы да, ішкі бөліктерге қарама -қарсы түс таңдау кубиттердің «Q» -ін айқынырақ етеді. Біз алдыңғы жағын «AGGREGATE. ORG» және «UKY. EDU» бөліктерімен ақ PLA көгілдір PLA фонында басып шығарғанымызбен, олардың дене түсі неғұрлым тартымды көрінетін контрастты көрінісін табуыңыз мүмкін. Дизайн қайдан шыққанын көрермендерге еске салу үшін оларды сол жерге қалдырғаныңыз үшін ризамыз, бірақ бұл URL -мекен -жайларды визуалды түрде айқайлаудың қажеті жоқ.

Бұл бөліктерді басып шығарғаннан кейін, кез келген тірек материалды алып тастаңыз және серво екі бөлікке бір -біріне сәйкес келетініне көз жеткізіңіз. Егер ол сәйкес келмесе, тірек материалды таңдауды жалғастырыңыз. Бұл өте тығыз, бірақ екі бөлікті бір -біріне итеруге мүмкіндік беруі керек. Басып шығаруда әдейі туралау конструкциялары жоқ екеніне назар аударыңыз, себебі тіпті сәл қисаю олардың жиналуына кедергі келтіруі мүмкін.

5 -қадам: Ішкі бөлікті жинаңыз

Ішкі екі бөлікті алыңыз да, оларды «1» -дің сол жағындағы бұрылыс нүктесі «0» -ге қарама-қарсы айналатындай етіп бір-біріне туралаңыз. Қажет болса, оларды екі жақты таспамен бірге уақытша ұстауға болады, бірақ оларды дәнекерлеу үшін ыстық дәнекерлеуішті қолдану қажет.

Шеттері біріккен жерде дәнекерлеу жеткілікті. Мұны алдымен дәнекерлеу арқылы дәнекерлеу арқылы ПЛА -ны екі бөліктің арасындағы бірнеше нүктеде бір -біріне сүйреп апарыңыз. Бөлшектерді біріктіргеннен кейін дәнекерлеу үтігін тігістің айналасында жүргізіп, тұрақты дәнекерлеуді жасаңыз. Екі бөлік жоғарыдағы суретте көрсетілген бөлікті жасауы керек.

Сіз бұл дәнекерленген бөліктің артқы сыртқы бөлігіне кіргізу арқылы оның жарамдылығын тексере аласыз. Серво қуысы жоқ жаққа бұрылу үшін оны сәл қисайту керек, бірақ ол бір рет айналуы керек.

6 -қадам: Сервоны бағыттаңыз және мүйізді орнатыңыз

Бұл жұмыс істеуі үшін бізге серво басқару мен серваның айналу позициясы арасында белгілі тікелей сәйкестік болуы керек. Әр серво импульстің ені мен минимумына жауап береді. Сіз оларды серверлеріңіз үшін эмпирикалық түрде табуыңыз керек, өйткені біз 180 градусқа толық қозғалысқа сенеміз және әр түрлі өндірушілер сәл өзгеше мәндегі SG90 шығарады (шын мәнінде олардың өлшемдері сәл өзгеше, бірақ олар жеткілікті жақын болуы керек) рұқсат етілген кеңістікке сәйкес келеді). Ең қысқа импульстік енді «0» және ең ұзын «1» деп атайық.

Сервомен бірге жеткізілген мүйіздердің бірін алыңыз және жоғарыдағы суретте көрсетілгендей, сым кескішпен немесе кез келген басқа құралмен қанатын кесіңіз. Сервадағы өте жұқа редукторды 3D басып шығару өте қиын, сондықтан біз оның орнына серво мүйіздерінің бірінің ортасын қолданамыз. Кесілген серво мүйізін сервоприводтардың біріне қойыңыз. Енді сервоны қосыңыз, оны «1» күйіне орнатыңыз және сол күйде қалдырыңыз.

Мүмкін сіз ұсақ емес бұранданың цилиндр тәрізді қуысы бар екенін байқадыңыз, ол сіздің серводағы редуктордың басының өлшеміне сәйкес келеді-және сіздің мүйіздің қиылған орталығының диаметрінен сәл кіші. Ыстық дәнекерлегішті алыңыз да, оны айналдыратын тесіктің ішіне, сондай -ақ мүйіздің ортасының сыртынан ақырын айналдырыңыз; Сіз ерітуге тырыспайсыз, бірақ оларды жұмсақ ету үшін. Әрі қарай, сервоны ұстап тұрып, мүйіз ортасын айналмалы ойыққа итеріңіз, онда серво «1» күйінде болуы керек - ішкі бөлігінде «1» белгісі, серво орналасқан кездегідей. сыртқы артқы бөлігіндегі қуыста демалу.

Кесілген мүйізді итеріп, мүйізге өте берік байланыс жасай отырып, сіз PLA -ның сәл өздігінен бүктелгенін көруіңіз керек. Байланысты сәл салқындатыңыз, содан кейін серводы шығарыңыз. Мүйіз бөлікті жеткілікті жақсы байланыстыруы керек, сонда серво ешқандай маңызды ойынсыз бөлшекті еркін айналдыра алады.

7 -қадам: Әр кубит жинаңыз

Енді сіз кубиттерді салуға дайынсыз. Сыртқы артқы бөлікті тегіс бетке қойыңыз (мысалы, үстелге), серво қуысы жоғары қарайтындай және тірек беткі жиектің үстінде ілулі, осылайша сыртқы артқы бөлігі тегіс отырады. Енді мүйізге бекітілген серво мен ішкі бөлікті алып, оларды артқы сыртқы бөлігіне салыңыз. Ол үшін серводан алынған кабельді арнаға басыңыз.

Барлығы біркелкі болған соң, алдыңғы сыртқы бөлікті жинақтың үстіне қойыңыз. Сервоны жалғаңыз және оны ешнәрсе байланыстырмайтынына немесе бұрмаланбағанына көз жеткізу үшін құралды бірге ұстап тұрып басқарыңыз. Сыртқы алдыңғы және артқы жағын дәнекерлеу үшін VHB таспасын қолданыңыз немесе дәнекерлегішті қолданыңыз.

Бұл қадамдарды әр кубит үшін қайталаңыз.

8 -қадам: монтаждау

Әр кубиттің кішкене негізінің артқы жағында тесік бар, бұл контроллерге қосылу үшін серво кабелін сыртқа шығаруға мүмкіндік береді, ал негізі әр кубитке тұрақты болуы үшін жеткілікті кең. ұзартқыш кабельдер әр сервоға және оларды үстелге немесе басқа тегіс бетке жайып салыңыз. Алайда, бұл оларды қосатын сымдарды көрсетеді ….

Мен сымдарды көру алыстағы қорқынышты әрекет елесін бұзатынын сеземін, сондықтан мен сымдарды толығымен жасырғанды жөн көремін. Мұны істеу үшін бізге тек қана әр кубит астындағы саңылауы бар сервистік кабель коннекторы өтетін жеткілікті үлкен платформа қажет. Әрине, біз әр кубит орнында қалғанын қалаймыз, сондықтан негізде 1/4-20 үш тесік бар. Мақсат - орталықты пайдалану, бірақ қалғандары қауіпсіздікті қамтамасыз ету үшін пайдаланылуы мүмкін немесе егер орталық жіп қатты қысылып қалса. Осылайша, әрқайсысы әр кубит үшін негізде бір-бірінен тығыз орналасқан екі тесікті бұрғылайды: біреуі 1/4-20 бұрандалы жіпті өткізу үшін, екіншісі серво кабелі коннекторынан өту үшін.

3/4 «ағаш жиі кездесетіндіктен, сіз оны негіздің жоғарғы жағына қолданғыңыз келуі мүмкін-мен сияқты. Бұл жағдайда сізге 1/4-20 бұранда немесе болт қажет шамамен 1,25» ұзақ Сіз оларды кез -келген құрылыс дүкенінен шамамен алты долларға сатып ала аласыз. Сонымен қатар, оларды 3D басып шығаруға болады … бірақ егер сіз оларды басып шығарсаңыз, оларды бір-бірден басып шығаруды ұсынамын, себебі бұл жұқа бұрандалы жіптің ақауларын азайтады.

Әлбетте, бекітпе өлшемдері маңызды емес, бірақ олар сізге қажет ұзартқыш кабельдердің ұзындығын анықтайды. KREQC үш кубитке арналған екі қатар ретінде жасалды, бұл қондырма көтерілетін чемоданға сәйкес келуі үшін, біз оны IEEE/ACM SC18 зерттеу көрмесіне әкелдік.

9 -қадам: Бренд

Соңғы қадам ретінде кванттық компьютеріңізді белгілеуді ұмытпаңыз!

Біз қара түсті алтын түсті тақтайшаны 3D басып шығардық, ол содан кейін негіздің ағаш алдыңғы жағына бекітілді. Өзіңіздің затбелгіңізді басқа жолмен белгілеңіз, мысалы, бекітілген PDF тақтайшасының суретін лазер немесе сиялы принтермен 2D басып шығару. Әр кубитке оның орналасуын белгілеу зиян тигізбейді, әсіресе егер сіз кубиттерді базада қалай орналастыру керектігін білсеңіз.

Сондай-ақ, сізге 3D басып шығарылған qubit кілттерін беру ұнауы мүмкін; олар шатаспайды немесе қозғалтылмайды, бірақ олар соққанда және айналасында KREQC демонстрациясын еске түсіретін кезде олар еркін айналады.