KREQC: Kentukki shtatining aylanuvchi kvant kompyuteri: 9 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:25

Biz uni "daryo" deb ataymiz - KREQC: Kentukki shtatining aylanuvchi kvant kompyuteri. Ha, bu ko'rsatma sizga xona haroratida ishonchli ishlaydigan, kvant kompyuteri, minimal aylanish davrining taxminan 1/2 sekundini o'z qo'lingiz bilan yasashni ko'rsatib beradi. Qurilishning umumiy qiymati 50-100 dollarni tashkil qiladi.

Ikkinchi rasmda ko'rsatilgan IBM Q kvant kompyuteridan farqli o'laroq, KREQC kvant fizikasi hodisalarini to'liq chigallashgan qubitlarini amalga oshirish uchun ishlatmaydi. O'ylaymanki, biz hamma narsa kvant fizikasidan foydalanadi deb bahslashishimiz mumkin edi, lekin bu KREQCda Eynshteynning "masofadagi dahshatli harakatini" amalga oshiradigan oddiy boshqariladigan servolar. Boshqa tomondan, bu servolar KREQC -ga xatti -harakatni yaxshi taqlid qilishga imkon beradi, bu esa operatsiyani ko'rish va tushuntirishni osonlashtiradi. Tushuntirishlar haqida gapirganda ….

1 -qadam: Kvantli kompyuter nima?

Bizning tushuntirishimizni berishdan oldin, bu erda IBM Q Experience hujjatlaridagi yaxshi tushuntirishga havola. Endi biz zarbamizni olamiz ….

Shubhasiz, siz qubitslarning kvant kompyuterlarida sehrli hisoblash qobiliyatini qanday berishi haqida bir oz ko'proq eshitgansiz. Asosiy g'oya shundaki, oddiy bit 0 yoki 1 bo'lishi mumkin, kubit 0, 1 yoki noaniq bo'lishi mumkin. O'z -o'zidan, bu juda foydali ko'rinmaydi - va faqat bitta kubit bilan emas - lekin bir nechta chigal kubitlar juda foydali xususiyatga ega, ularning noaniq qiymatlari bir vaqtning o'zida bit qiymatlarining barcha mumkin bo'lgan kombinatsiyalarini qamrab olishi mumkin. Masalan, 6 bit 0 dan 63 gacha (ya'ni 2^6) bitta qiymatga ega bo'lishi mumkin, 6 qubit noaniq qiymatga ega bo'lishi mumkin, bu 0 dan 63 gacha bo'lgan qiymatlar, har bir mumkin bo'lgan qiymat bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Qubitning qiymati o'qilganda, uning va u bilan bog'liq bo'lgan barcha kubitlarning qiymatlari aniqlanadi, bunda har bir kubit uchun o'qiladigan yagona qiymat tasodifiy tasodifan tanlanadi; Agar noaniq qiymat 75% 42 va 25% 0 bo'lsa, kvant hisob -kitoblari har to'rt martadan 3 tasida amalga oshiriladi, natijada 42 bo'ladi, qolganida esa 0 bo'ladi. barcha mumkin bo'lgan qiymatlar va bir vaqtning o'zida ko'p qiymatlarni sinab ko'radigan bitta (potentsial bir nechta) haqiqiy javobni qaytaradi - va bu hayajonli qism. Bitta 6-qubitlik tizim qila oladigan ishni bajarish uchun 64 ta 6 bitli tizim kerak bo'ladi.

KREQC-ning 6 ta to'la-to'kis qubitlarining har biri 0, 1 yoki noaniq aylanish qiymatiga ega bo'lishi mumkin. Noma'lum qiymatlar gorizontal holatda bo'lgan barcha qubitlar bilan ifodalanadi. Kvant hisob -kitobi davom etar ekan, har xil qiymatlar ehtimolligi o'zgaradi - KREQCda individual kubitlar chayqalib, qiymatlar ehtimolini aks ettiruvchi statistik pozitsiyalar bilan ifodalanadi. Oxir -oqibat, kvant hisob -kitobi noaniq qiymatni aniqlangan 0 va 1 soniyali ketma -ketlikka aylantiruvchi qubitlarni o'lchash orqali to'xtatiladi. Yuqoridagi videoda siz KREQC "hayot, koinot va hamma narsaning yakuniy savoliga javob" ni, ya'ni boshqacha qilib aytganda, 42 … ikkilikda 101010, qubitlarning orqa qatorida 101 va 010 da old.

Albatta, kvant kompyuterlar bilan bog'liq ba'zi muammolar bor va KREQC ham bundan aziyat chekadi. Shubhasiz, biz haqiqatan ham 6 million emas, balki millionlab kubitlarni xohlaymiz. Shu bilan birga, shuni ta'kidlash kerakki, kvant kompyuterlari faqat kombinatsion mantiqni amalga oshiradi - biz kompyuter muhandislari davlat mashinasi deb atashimizdan farqli o'laroq. Asosan, bu kvant mashinasining o'zi Tyuring mashinasi yoki oddiy kompyuterga qaraganda kamroq qobiliyatli ekanligini anglatadi. KREQC misolida, biz davlat mashinalarini bajarishda har bir tashrif uchun kvant hisoblashlar ketma-ketligini bajarish uchun an'anaviy kompyuter yordamida KREQCni boshqarish orqali davlat mashinalarini amalga oshiramiz.

Xo'sh, keling, xona haroratida kvant kompyuterini quraylik!

2 -qadam: asboblar, ehtiyot qismlar va materiallar

KREQC uchun ko'p narsa yo'q, lekin sizga ba'zi qismlar va asboblar kerak bo'ladi. Asboblardan boshlaylik:

• Iste'molchilar uchun mo'ljallangan 3D printerga kirish. KREQC qubitlarini CNC frezalash dastgohi va yog'och yordamida yasash mumkin bo'lardi, lekin ularni PLA plastmassasini ekstrudirovka qilish orqali yasash ancha oson va to'g'ri. 3D bosilgan eng katta qism-180x195x34 mm, shuning uchun printerni bitta bo'lakda chop etish uchun etarlicha katta bosma hajmi bo'lsa, ishlar ancha osonlashadi.
• Lehimlash temir. PLA qismlarini payvandlash uchun ishlatiladi.
• Qalinligi 1 mm bo'lgan kichik plastmassa qismlarni (servo shoxlari) kesishi mumkin bo'lgan sim kesgichlar yoki boshqa biror narsa.
• Ixtiyoriy ravishda, qubitlarni o'rnatish uchun yog'och asosni yasash uchun yog'ochga ishlov berish asboblari. Baza kerak emas, chunki har bir uchida boshqaruv kabeli orqa tomondan chiqib ketishiga imkon beradigan o'rnatilgan stend mavjud.

Sizga ko'p qismlar yoki materiallar kerak emas:

• Qubitlarni tayyorlash uchun PLA. Agar 100% to'ldirish bilan chop etilsa, u har kubit uchun 700 grammdan kam PLA bo'ladi; oqilona 25% to'ldirganda, 300 gramm yaxshiroq baho bo'lardi. Shunday qilib, 6 qubit faqat 2 kg og'irlikdagi g'altak yordamida tayyorlanishi mumkin edi, uning narxi taxminan 15 dollar.
• Har bir kubit uchun bitta SG90 mikro servo. Ularni har biri 2 dollardan arzon narxda sotib olish mumkin. 180 graduslik joylashishni aniqlaydigan mikro servolarni olganingizga ishonch hosil qiling-siz 90 gradusli bo'lishni xohlamaysiz va o'zgarmaydigan tezlikda doimiy aylanish uchun mo'ljallanganlarni ham xohlamaysiz.
• Servo boshqaruv paneli. Ko'p tanlov mavjud, shu jumladan Arduino-dan foydalanish, lekin juda oson tanlov-Pololu Micro Maestro 6 kanalli USB Servo Controller, narxi 20 dollardan past. 12, 18 yoki 24 kanallarni boshqaradigan boshqa versiyalar mavjud.
• Zarur bo'lganda SG90s uchun uzatma kabellari. SG90 -larning kabellari uzunligi jihatidan bir oz farq qiladi, lekin siz kamida 6 dyuymli qubitlarni ajratishingiz kerak bo'ladi, shuning uchun uzaytiruvchi kabellar kerak bo'ladi. Uzunligiga qarab, har biri 0,50 AQSh dollaridan past bo'ladi.
• Pololu va SG90s uchun 5V quvvat manbai. Odatda, Pololu noutbukga USB ulanishi orqali quvvatlanadi, lekin servolar uchun alohida quvvat manbaiga ega bo'lish maqsadga muvofiqdir. Men 5V 2,5A devorli siğil ishlatardim, lekin yangi 3Ani 5 dollarga sotib olish mumkin.
• Majburiy emas, narsalarni bir-biriga mahkamlash uchun 2 tomonlama lenta. VHB tasmasi har bir kubitning tashqi qobig'ini ushlab turish uchun yaxshi ishlaydi, lekin payvandlash, agar siz uni hech qachon ajratmasangiz ham yaxshi ishlaydi.
• Majburiy emas, taglik tayyorlash uchun yog'och va pardozlash materiallari. Bizniki do'kon qoldiqlaridan qilingan va pechene bo'g'inlari bilan birlashtirilgan, oxirgi qatlam sifatida bir necha qatlamli shaffof poliuretan.

Hammasi aytganda, biz yaratgan 6-qubitlik KREQC narxi taxminan 50 dollarni tashkil etadi.

3-qadam: 3D bosma qismlar: ichki qism

3D-bosma qismlarning barcha dizaynlari Thingiverse-da Thing 3225678 sifatida erkin mavjud. Hozir borib nusxasini oling … kutamiz …

Oh, tezda qaytadimi? Ok. Qubitdagi haqiqiy "bit" - bu ikki qismdan iborat oddiy qism, chunki ikki qismni bir -biriga payvandlash bilan shug'ullanish, bir qismning ikkala tomoniga ko'tarilgan harflarni chop etish uchun tayanchlardan ko'ra osonroqdir.

Men buni qubitning tashqi qismiga qarama -qarshi bo'lgan rangda chop etishni maslahat beraman - masalan, qora. Bizning versiyamizda biz kontrast berish uchun yuqori qismini 0,5 mm oq rangda bosib chiqarganmiz, lekin buning uchun filaman o'zgarishi kerak edi. Agar siz buni xohlamasangiz, har doim "1" va "0" ning ko'tarilgan yuzalarini bo'yashingiz mumkin. Bu ikkala qism ham oraliqsiz va shuning uchun tayanchlarsiz chop etiladi. Biz 25% to'ldirish va 0,25 mm ekstruziya balandligidan foydalanganmiz.

4-qadam: 3D bosma qismlar: tashqi qismi

Har bir kubitning tashqi qismi biroz murakkabroq. Birinchidan, bu qismlar katta va tekis, shuning uchun bosma to'shagingizdan ko'p ko'tariladi. Men odatda issiq oynaga bosib chiqaraman, lekin burishmasligi uchun issiq ko'k rangdagi lentaga qo'shimcha bosma tayoq kerak edi. Shunga qaramay, 25% to'ldirish va 0,25 mm qatlam balandligi etarli bo'lishi kerak.

Bu qismlarning ikkalasi ham oraliqlarga ega. Servo ushlab turgan bo'shliqning ikki tomoni bor va bu bo'shliqning o'lchamlari to'g'ri bo'lishi juda muhim, shuning uchun uni qo'llab -quvvatlash bilan chop etish kerak. Kabelni yo'naltirish kanali faqat qalin orqa tomonda joylashgan bo'lib, uning tagida kichik bir bo'lakdan boshqa hech qanday masofani oldini olish uchun qurilgan. Ikkala qismdagi taglikning ichki qismi texnik jihatdan tayanchning ichki egri chizig'ini qo'llab -quvvatlamaydi, lekin bosmaning bu qismi biroz cho'kib ketishi muhim emas, shuning uchun sizga yordam kerak emas.

Shunga qaramay, ichki qismlarga qarama -qarshi bo'lgan rang tanlovi qubitlarning "Q" ni yanada aniqroq qiladi. Biz old tomonini "AGGREGATE. ORG" va "UKY. EDU" qismlari bilan PLA-ning ko'k fonida oq PLA-da bosgan bo'lsak-da, tana rangining kontrasti pastroq ko'rinishini yanada jozibali deb topishingiz mumkin. Dizayn qaerdan kelganini tomoshabinlarga eslatish uchun ularni o'sha erda qoldirganingiz uchun minnatdormiz, lekin bu URL -larni vizual tarzda baqirishga hojat yo'q.

Ushbu qismlar chop etilgandan so'ng, har qanday qo'llab -quvvatlovchi materialni olib tashlang va servo ikkita bo'lakka bir -biriga mahkam o'rnashganligiga ishonch hosil qiling. Agar mos kelmasa, qo'llab-quvvatlovchi materialni tanlashni davom ettiring. Bu juda mahkam o'rnashgan, lekin ikkala yarmini bir -biriga yaqinlashtirishga imkon berishi kerak. E'tibor bering, bosmada qasddan hizalanadigan tuzilmalar yo'q, chunki hatto engil burilish ham ularni yig'ilishning oldini oladi.

5 -qadam: Ichki qismni yig'ing

Ikki ichki qismni oling va ularni ketma-ket tekislang, shunda "1" ning chap burchagidagi nuqta "0" nuqtasida joylashgan. Agar xohlasangiz, ularni ikki tomonlama lenta bilan vaqtincha ushlab turishingiz mumkin, lekin asosiysi ularni payvandlash uchun issiq lehimli temirdan foydalanishdir.

Qirralarning birlashadigan joyini payvandlash kifoya. Buni payvandlash payvandlash dastagidan foydalanib, PLAni ikkita bo'lakning chetidan bir nechta joylarga tortib olib boring. Qismlarni yopishtirgandan so'ng, doimiy payvandlash uchun payvand chokini tikuv bo'ylab aylantiring. Ikki bo'lak yuqoridagi rasmda ko'rsatilgan qismni yaratishi kerak.

Siz payvandlangan qismning mosligini orqa tashqi qismga kiritish orqali tekshirishingiz mumkin. Burchakni servo bo'shlig'i bo'lmagan tomonga burish uchun uni biroz egish kerak bo'ladi, lekin ichkariga kirganda, u erkin aylanishi kerak.

6 -qadam: Servoga yo'naltiring va shoxni o'rnating

Bu ishlashi uchun biz servo boshqaruvi va servoning aylanish holati o'rtasida ma'lum bo'lgan yozishmalarga ega bo'lishimiz kerak. Har bir servoda javob beradigan minimal va maksimal puls kengligi bor. Siz ularni servolaringiz uchun empirik tarzda kashf qilishingiz kerak bo'ladi, chunki biz 180 graduslik to'liq harakatga tayanamiz va har xil ishlab chiqaruvchilar biroz boshqacha qiymatga ega SG90-larni ishlab chiqaradilar (aslida ularning o'lchamlari ham biroz farq qiladi, lekin ular etarlicha yaqin bo'lishi kerak). ruxsat berilgan maydonga joylashtiring). Eng qisqa impuls kengligini "0" va eng uzunini "1" deb ataymiz.

Servo bilan kelgan shoxlardan birini oling va qanotlarini sim kesgichlar yoki boshqa mos asbob yordamida kesib oling - yuqoridagi rasmda ko'rinib turibdi. Servo ustidagi juda nozik tishli pog'onani 3D bosib chiqarish juda qiyin, shuning uchun biz buning uchun servo shoxlardan birining markazidan foydalanamiz. Kesilgan servo shoxini servolardan biriga qo'ying. Endi servoni ulang, uni "1" holatiga qo'ying va shu holatda qoldiring.

Siz, ehtimol, nayzasimon naychada silindrsimon bo'shliq borligini ko'rasiz, u sizning servo tishli boshining o'lchamiga teng-va siz kesilgan shox markazining diametridan biroz kichikroq. Issiq lehimli temirni oling va uni burilish teshigining ichiga, shuningdek qirqilgan shox markazining tashqi tomoniga sekin aylantiring; Siz ham erimoqchi emassiz, balki ularni yumshoq qilish uchun. Keyin, servo ushlab turgan holda, shox markazini burilish teshigiga burab, servo "1" pozitsiyasiga ega bo'lishi kerak - ichki qismi servo joylashganda "1" ni ko'rsatadi. tashqi orqa qismidagi bo'shliqda dam olish.

Siz kesilgan shoxni itarganingizda, PLA o'z -o'zidan o'ralganini ko'rishingiz kerak, shox bilan mustahkam aloqa o'rnatiladi. Bir oz sovib tursin, keyin servo torting. Endi shox qismni etarlicha mahkam bog'lab qo'yishi kerak, shunda servo hech qanday o'ynamasdan qismni erkin aylantira oladi.

7 -qadam: Har bir kubitni yig'ing

Endi siz qubitlarni qurishga tayyormiz. Tashqi orqa qismni tekis yuzaga (masalan, stolga) qo'ying, shunda servo bo'shlig'i yuqoriga qaragan va stend sirt chetiga osilib turishi uchun tashqi orqa qismi tekis o'tirgan. Endi shox bilan biriktirilgan servo va ichki qismni oling va ularni orqa tashqi qismiga joylashtiring. Buning uchun servodan kabelni kanalga bosing.

Hammasi bir tekisda o'tirgandan so'ng, oldingi tashqi qismini yig'ilish ustiga qo'ying. Hech narsani bog'lamaslik yoki noto'g'ri hizalanmasligiga ishonch hosil qilish uchun, servoni ulang va uni boshqaring. Endi VHB tasmasini ishlating yoki tashqi va old tomonlarini payvandlash uchun lehimli temirdan foydalaning.

Har bir kub uchun bu amallarni takrorlang.

8 -qadam: o'rnatish

Har bir kubitning kichik poydevorining orqa tomonida kesma bor, bu sizga boshqaruvchiga ulanish uchun servo kabelni orqadan chiqarishga imkon beradi va taglik har bir kubitning o'zi barqaror bo'lishi uchun etarlicha keng. Har bir servo uzaytirgich kabellari va ularni stol yoki boshqa tekis yuzaga tarqating. Biroq, bu ularni bog'laydigan simlarni ko'rsatadi …

O'ylaymanki, simlarni ko'rish uzoqdan qo'rqinchli xayolotni buzadi, shuning uchun men simlarni butunlay yashirishni afzal ko'raman. Buning uchun bizga har bir qubitning ostidagi teshikli, servo kabel ulagichi o'tishi uchun etarlicha katta bo'lgan o'rnatish platformasi kerak. Albatta, biz har bir kubit o'z joyida qolishini xohlaymiz, shuning uchun taglikda 1/4-20 gacha uchta teshik bor. Maqsad markazdan foydalanishdir, lekin boshqalari ishni yanada xavfsizroq qilish uchun ishlatilishi mumkin yoki agar markaziy ip haddan tashqari qattiqlashib ketsa. Shunday qilib, bittasi har bir kubit uchun poydevorda bir-biriga yaqin joylashgan ikkita teshik ochadi: biri 1/4-20 vintli tishli, ikkinchisi servo kabel ulagichidan o'tadi.

3/4 "yog'och eng keng tarqalgan bo'lgani uchun, ehtimol siz uni taglikning yuqori qismida ishlatishni xohlaysiz-men qilganim kabi. Bunday holda sizga 1/4-20 vint yoki murvat taxminan 1,25" kerak bo'ladi. uzoq Siz ularni har qanday apparat do'konida oltiga taxminan 1 dollarga sotib olishingiz mumkin. Shu bilan bir qatorda, siz ularni 3D-bosib chiqarishingiz mumkin … lekin agar siz ularni chop qilsangiz, men ularni birma-bir chop etishni tavsiya qilaman, chunki bu nozik vintli tishli nuqsonlarni kamaytiradi.

Shubhasiz, montajning o'lchamlari muhim emas, lekin ular sizga kerak bo'ladigan uzatma kabellarining uzunligini aniqlaydi. KREQC uch qatorli ikkita kubikdan iborat bo'lib, birinchi navbatda, yuk ko'tariladigan chamadonga o'rnatiladi, shuning uchun biz uni IEEE/ACM SC18 tadqiqot ko'rgazmasiga olib keldik.

9 -qadam: brend

Oxirgi qadam sifatida kvant kompyuteringizni belgilashni unutmang!

Biz oltindan qora rangda yozilgan plastinkani 3D bosib chiqardik, so'ngra taglikning yog'och old tomoniga o'rnatildi. O'zingizning belgingizni boshqa usullar bilan belgilang, masalan, biriktirilgan PDF-plastinka tasvirini lazer yoki inkjetli printer yordamida 2 o'lchamli bosib chiqarish. Har bir qubitni o'z pozitsiyasi bilan belgilash ham zarar qilmaydi, ayniqsa, agar siz qubitlarni bazada qanday joylashtirishni o'ylab topsangiz.

Bundan tashqari, sizga 3D bosilgan qubit kalitli zanjirlarni tarqatish yoqishi mumkin; ular chalg'imaydi va motorlanmaydi, lekin siz ularga zarba berganingizda va KREQC namoyishini uyga olib borganingizda yaxshi aylanasiz.