KREQC: ordinador quàntic emulat per rotació de Kentucky: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

L’anomenem “creek”, que s’escriu KREQC: l’ordinador quàntic emulat per rotació de Kentucky. Sí, aquest instructiu us mostrarà com fer el vostre propi ordinador quàntic de treball que funcioni de manera fiable a temperatura ambient amb un temps de cicle mínim d’aproximadament 1/2 segon. El cost total de construcció és de 50 a 100 dòlars.

A diferència de l'ordinador quàntic IBM Q que es mostra a la segona foto, KREQC no utilitza directament fenòmens de física quàntica per implementar els seus qubits totalment enredats. Bé, suposo que podríem argumentar que tot utilitza la física quàntica, però realment són només servos controlats convencionalment els que implementen la "fantasmagòrica acció d'Einstein a distància" a KREQC. D'altra banda, aquests servos permeten a KREQC emular el comportament bastant bé, fent que l'operació sigui fàcil de veure i explicar. Parlant d’explicacions….

Pas 1: què és un ordinador quàntic?

Abans de donar la nostra explicació, aquí teniu un enllaç a una bona explicació de la documentació d’IBM Q Experience. Ara farem el nostre tret …

Sens dubte, heu escoltat més d’una mica (amb la intenció de fer paraules) sobre com els qubits atorguen habilitats computacionals màgiques als ordinadors quàntics. La idea bàsica és que, tot i que un bit ordinari pot ser 0 o 1, un qubit pot ser 0, 1 o indeterminat. Per si sol, això no sembla particularment útil (i només amb un qubit no ho és), però diversos qubits entrellaçats tenen la propietat bastant útil que els seus valors indeterminats poden cobrir simultàniament totes les combinacions possibles de valors de bits. Per exemple, 6 bits poden tenir un valor qualsevol de 0 a 63 (és a dir, 2 ^ 6), mentre que 6 qubits poden tenir un valor indeterminat que són tots els valors de 0 a 63 amb una probabilitat potencialment diferent associada a cada valor possible. Quan es llegeix el valor d’un qubit, es determinen els seus valors i tots els qubits que s’enreden, i se selecciona aleatòriament el valor únic llegit per a cada qubit d’acord amb les probabilitats; si el valor indeterminat és del 75% 42 i del 25% 0, aleshores es fa aproximadament 3 de cada quatre vegades que es realitza el càlcul quàntic, el resultat serà 42 i les altres vegades serà 0. El punt clau és que el càlcul quàntic avalua tots els valors possibles i retorna una (de potencialment múltiples) respostes vàlides, provant exponencialment molts valors simultàniament, i aquesta és la part emocionant. Es necessitarien 64 sistemes de 6 bits per fer el que pot fer un sistema de 6 qubit.

Cadascun dels 6 qubits completament enredats de KREQC pot tenir un valor de rotació 0, 1 o indeterminat. El valor indeterminat equiprobable el representen tots els qubits en posició horitzontal. A mesura que es procedeix a un càlcul quàntic, les probabilitats de diferents valors canvien, representades a KREQC pels qubits individuals oscil·lant i assumint posicions estadístiques que reflecteixen les probabilitats de valors. Finalment, el càlcul quàntic s’acaba mesurant els qubits entrellaçats, que col·lapsa el valor indeterminat en una seqüència completament determinada de 0s i 1s. Al vídeo anterior, veieu KREQC calculant la "resposta a la pregunta definitiva de la vida, l'univers i tot", és a dir, 42 … que en binari és 101010, amb 101 a la fila posterior de qubits i 010 a el front.

Per descomptat, hi ha alguns problemes amb els ordinadors quàntics i KREQC també els pateix. Una cosa òbvia és que realment volem milions de qubits, no només 6. Tanmateix, també és important tenir en compte que els ordinadors quàntics només implementen lògica combinatòria, a diferència del que els enginyers informàtics anomenem màquina d'estat. Bàsicament, això significa que una màquina quàntica per si mateixa és menys capaç que una màquina de Turing o un ordinador convencional. En el cas de KREQC, implementem màquines d'estat controlant KREQC mitjançant un ordinador convencional per realitzar una seqüència de càlculs quàntics, una per visita d'estat en l'execució de la màquina d'estats.

Així doncs, anem a construir un ordinador quàntic a temperatura ambient.

Pas 2: eines, peces i materials

KREQC no té molt, però necessitareu algunes peces i eines. Comencem per les eines:

• Accés a una impressora 3D de consum. Seria possible fer qubits de KREQC mitjançant una fresadora CNC i fusta, però és molt més fàcil i senzill fer-los extruint plàstic PLA. La part impresa en 3D més gran és de 180x195x34mm, de manera que les coses són molt més fàcils si la impressora té un volum d’impressió suficient per imprimir-lo d’una sola peça.
• Un soldador. Per utilitzar per soldar peces de PLA.
• Talladors de filferro o alguna altra cosa que pugui tallar petites peces de plàstic de 1 mm de gruix (les servobornes).
• Opcionalment, eines per treballar la fusta per fer una base de fusta per muntar els qubits. No es necessita estrictament una base perquè cada bit té un suport incorporat que permetria enrutar el cable de control per la part posterior.

Tampoc no necessiteu moltes peces ni materials:

• PLA per fer els qubits. Si s’imprimís al 100%, encara seria inferior a 700 grams de PLA per qubit; amb un 25% d’ompliment més raonable, 300 grams serien una estimació millor. Així, es podrien fer 6 qubits utilitzant només un carret de 2 kg, amb un cost material d’uns 15 dòlars.
• Un micro servo SG90 per qubit. Estan disponibles fàcilment per menys de 2 dòlars cadascun. Assegureu-vos d’obtenir micro servos que especifiquin l’operació de posicionament de 180 graus: no en voleu cap de 90 graus ni en voleu dissenyar per a una rotació contínua a velocitat variable.
• Una placa de servocontrolador. Hi ha moltes opcions, inclòs l’ús d’un Arduino, però una opció molt fàcil és el Servo Controller USB de 6 canals Pololu Micro Maestro que costa menys de 20 dòlars. Hi ha altres versions que poden gestionar 12, 18 o 24 canals.
• Cables d’extensió per a la SG90 segons sigui necessari. Els cables de la SG90 varien una mica de longitud, però necessitareu qubits per separar-los per un mínim d’uns 6 polzades, de manera que caldran cables d’extensió. Aquests són fàcilment inferiors a 0,50 dòlars cadascun, segons la longitud.
• Una font d'alimentació de 5V per a Pololu i SG90. Normalment, el Pololu s’alimenta mitjançant connexió USB a un portàtil, però pot ser convenient tenir una font d’alimentació separada per als servos. He utilitzat una berruga de paret de 5 V 2,5 A que tenia al voltant, però es poden comprar de 3 A per menys de 5 dòlars.
• Opcionalment, cinta de dues cares per mantenir les coses juntes. La cinta VHB (Very-High Bond) funciona bé per mantenir unida la capa exterior de cada qubit, tot i que la soldadura funciona encara millor si mai no l’heu de desmuntar.
• Opcionalment, subministraments de fusta i acabats per fer la base. La nostra es va fer a partir de restes de botigues i es manté unida per juntes de galetes, amb diverses capes de poliuretà transparent com a acabat final.

Tot plegat, el KREQC de 6 qubit que vam fabricar va costar uns 50 dòlars en subministraments.

Pas 3: parts impreses en 3D: la part interior

Tots els dissenys de peces impreses en 3D estan disponibles de manera gratuïta com a Thing 3225678 a Thingiverse. Aneu a buscar la vostra còpia ara … esperarem …

Ah, tornar tan aviat? D'acord. El "bit" real al qubit és una part senzilla que s'imprimeix en dues peces perquè és més fàcil tractar soldant dues peces juntes que utilitzar suports per imprimir lletres elevades a banda i banda d'una part.

Recomano imprimir-ho en un color que contrasta amb la part exterior del qubit (per exemple, negre). A la nostra versió, vam imprimir la part superior de 0,5 mm en blanc per donar contrast, però això requeria un canvi de filament. Si preferiu no fer-ho, sempre podeu pintar les superfícies elevades de l'1 i del 0. Ambdues parts s’imprimeixen sense trams i, per tant, sense suports. Hem utilitzat un 25% d’ompliment i una alçada d’extrusió de 0,25 mm.

Pas 4: Parts impreses en 3D: la part exterior

La part exterior de cada qubit és una impressió una mica més complicada. En primer lloc, aquestes peces són grans i planes i, per tant, poden ser elevades del llit imprès. Normalment imprimeixo en vidre calent, però per a això es requeria un pal extra d’impressió en cinta de pintor de color blau calent per evitar deformacions. De nou, un 25% d’ompliment i una alçada de capa de 0,25 mm haurien de ser més que suficients.

Aquestes parts també tenen trams. La cavitat que subjecta el servo té una extensió a banda i banda i és fonamental que les dimensions d’aquesta cavitat siguin correctes, de manera que cal imprimir amb suport. El canal d’encaminament de cables només es troba a la part posterior més gruixuda i està construït per evitar cap abast excepte un bit menor a la base. L'interior de la base de les dues peces té tècnicament un abast no suportat per a la corba interior de la base, però no importa si aquesta porció de la impressió cau una mica, de manera que no necessiteu suport.

De nou, una opció de color que contrasta amb les parts interiors farà que la "Q" dels qubits sigui més visible. Tot i que vam imprimir la part frontal amb les parts "AGGREGATE. ORG" i "UKY. EDU" en blanc PLA sobre el fons blau de PLA, és possible que tingueu un aspecte de contrast inferior de tenir el color del cos per ser més atractiu. Agraïm que els deixeu allà per recordar als espectadors d’on va sorgir el disseny, però no cal que crideu visualment aquests URL.

Un cop s’han imprès aquestes parts, traieu qualsevol material de suport i assegureu-vos que el servo encaixa amb les dues peces unides. Si no encaixa, continueu seleccionant el material de suport. És un ajust força ajustat, però hauria de permetre que les dues meitats s’acoblessin. Tingueu en compte que no hi ha estructures d'alineació deliberadament a la impressió, ja que fins i tot una lleugera deformació els provocaria evitar el muntatge.

Pas 5: munteu la part interior

Agafeu les dues parts interiors i alineeu-les de manera que el pivot punxegut a l'esquerra de l'1 es quedi alineat amb el pivot puntejat del "0". Podeu mantenir-los temporalment junts amb cinta de dues cares si ho desitgeu, però la clau és utilitzar un soldador en calent per soldar-los.

N’hi ha prou de soldar on s’uneixen les vores. Feu-ho mitjançant la primera soldadura adhesiva mitjançant el soldador per arrossegar PLA junts a través de la vora entre les dues peces en diversos punts. Després de fixar les peces juntes, executeu el soldador al voltant de la costura per crear una soldadura permanent. Les dues peces haurien de fer la part que es mostra a la imatge superior.

Podeu comprovar l'ajust d'aquesta peça soldada inserint-la a la part exterior posterior. Haureu d’inclinar-lo lleugerament per aconseguir que el pivot puntejat cap al costat que no té la cavitat del servo, però un cop a dins, hauria de girar lliurement.

Pas 6: Orienteu el Servo i configureu la Banya

Perquè això funcioni, hem de tenir una correspondència directa coneguda entre el control del servo i la posició de rotació del servo. Cada servo té una amplada de pols mínima i màxima a la qual respondrà. Haureu de descobrir-les empíricament per als vostres servos, perquè comptem amb el moviment complet de 180 graus i diferents fabricants produeixen SG90 amb valors lleugerament diferents (de fet, també tenen mides lleugerament diferents, però haurien d’estar prou a prop de s’adapta a l’espai permès). Anomenem l'amplada de pols més curta "0" i la més llarga "1".

Agafeu una de les banyes que venia amb el vostre servo i retalleu-ne les ales amb talladors de filferro o qualsevol altra eina adequada, tal com es veu a la foto superior. El pas d’engranatges molt fi del servo és molt difícil d’imprimir en 3D, de manera que utilitzarem el centre d’una de les banyes del servo per a això. Poseu la banya de servo retallada en un dels servos. Connecteu el servo, poseu-lo a la posició "1" i deixeu-lo en aquesta posició.

Probablement heu notat que el pivot sense punteria té una cavitat cilíndrica aproximadament de la mida del cap d'engranatges del servo i una mica més petit que el diàmetre del centre de la banya retallada. Agafeu el soldador calent i gireu-lo suaument a l'interior del forat del pivot i també a l'exterior del centre de la banya retallada; Tampoc no intenteu fondre’s, sinó simplement aconseguir que siguin suaus. A continuació, mantenint el servo, empenyeu el centre de la banya cap al forat del pivot amb el servo en la que hauria de ser la posició "1", amb la part interna que mostra el "1" quan el servo estigui posicionat tal com seria quan descansant a la cavitat de la part posterior exterior.

Hauríeu de veure com el PLA es doblega una mica mentre empeny la banya retallada, creant una connexió molt ferma amb la banya. Deixeu refredar una mica l’enllaç i traieu el servo. Ara la banya ha d’enllaçar la peça prou bé perquè el servo pugui fer girar la peça lliurement sense cap joc significatiu.

Pas 7: munteu cada Qubit

Ara ja esteu preparat per crear els qubits. Col·loqueu la part posterior exterior sobre una superfície plana (per exemple, una taula) de manera que la cavitat del servo estigui cap amunt i el suport estigui penjat sobre la vora de la superfície de manera que la part posterior exterior quedi plana. Ara agafeu el servo i la part interior units per la banya i inseriu-los a la part exterior posterior. Premeu el cable del servo cap al canal.

Un cop tot el que estigui a ras, col·loqueu la part exterior frontal sobre el conjunt. Connecteu el servo i feu-lo funcionar mentre manteniu el conjunt junt per assegurar-vos que res no s’uneixi ni estigui desalineat. Ara bé, utilitzeu cinta VHB o utilitzeu un soldador per soldar la part frontal i la part posterior juntes.

Repetiu aquests passos per a cada qubit.

Pas 8: muntatge

La petita base de cada qubit té un tall a la part posterior que us permetrà executar el cable servo per la part posterior per connectar-vos al controlador, i la base és prou àmplia perquè cada qubit sigui estable per si mateix, de manera que podríeu simplement posar els cables d’extensió de cada servo i fer-los escampar per una taula o una altra superfície plana. Tot i això, es mostraran els cables que els connecten ….

Crec que veure cables arruïna la il·lusió d’una acció fantasmagòrica a distància, així que prefereixo amagar-los completament. Per fer-ho, tot el que necessitem és una plataforma de muntatge amb un forat sota cada qubit que sigui prou gran perquè passi el connector del cable de servo. Per descomptat, ens agradaria que cada qubit es mantingués allà on es posa, de manera que hi ha tres forats tapats de 1 / 4-20 a la base. La intenció és utilitzar la central, però les altres es poden utilitzar per fer les coses més segures o si el fil central es despulla mitjançant un apretament excessiu. Per tant, un fa dos forats molt distanciats a la base per a cada qubit: un per passar un fil de cargol 1 / 4-20 i l’altre per passar el connector del cable servo.

Com que la fusta de 3/4 "és més comuna, probablement voldreu utilitzar-la per a la part superior de la base, com he fet jo. En aquest cas, necessitareu un cargol o un cargol d'1 / 4-20 aproximadament 1,25" llarg. Podeu comprar-los a qualsevol ferreteria a un cost aproximat d’1 dòlar per sis. Com a alternativa, podeu imprimir-los en 3D … però us recomano imprimir-los d’un en un si els imprimiu perquè això minimitza els defectes del fil cargol fi.

Obbviament, les dimensions del muntatge no són crítiques, però determinaran la longitud dels cables d’extensió que necessiteu. KREQC es feia com a dues files de tres qubits principalment perquè la muntura cabés en una maleta de mà, que és com la vam portar a la nostra exposició de recerca IEEE / ACM SC18.

Pas 9: marca-ho

Com a pas final, no oblideu etiquetar el vostre ordinador quàntic.

Vam imprimir en 3D una placa d’identificació en negre sobre daurat, que després es va fixar a la part davantera de fusta de la base. No dubteu a etiquetar el vostre per altres mitjans, com ara la impressió en 2D de la imatge de la placa de nom PDF adjunta amb una impressora làser o d'injecció de tinta. Tampoc no estaria de més etiquetar cada qubit amb la seva posició, sobretot si ets massa creatiu sobre com organitzes els qubits a la base.

També us pot agradar repartir els claueros qubit impresos en 3D; no estan enredats ni estan motoritzats, però giren lliurement quan els bufeu sobre ells i recorden una demostració de KREQC.