KREQC: Kentucky -ийн эргэдэг дууриамал квант компьютер: 9 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Бид үүнийг "горхи" гэж нэрлэдэг - KREQC гэж бичдэг: Kentucky's Rotationally Emulated Quantum Computer. Тийм ээ, энэхүү зааварчилгаа нь өрөөний температурт найдвартай ажилладаг, хамгийн бага мөчлөгийн 1/2 сек орчим ажиллах квант компьютерийг хэрхэн яаж хийхийг танд үзүүлэх болно. Барилгын нийт өртөг нь 50-100 доллар юм.

Хоёрдахь зурагт үзүүлсэн IBM Q квант компьютераас ялгаатай нь KREQC нь квант физикийн үзэгдлийг бүрэн орооцолдсон кубитуудаа хэрэгжүүлэхийн тулд шууд ашигладаггүй. Бүх зүйл квант физикийг ашигладаг гэж бид маргаж магадгүй гэж бодож байна, гэхдээ энэ бол KREQC дээр Эйнштейний "алс холын аймшигтай үйлдлийг" хэрэгжүүлдэг ердийн хяналттай servo юм. Нөгөө талаас, эдгээр servo нь KREQC -ийг зан төлөвийг сайн дуурайх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь үйлдлийг харах, тайлбарлахад хялбар болгодог. Тайлбаруудын талаар ярьж байна …

Алхам 1: Квант компьютер гэж юу вэ?

Бидний тайлбарыг өгөхөөс өмнө IBM Q Experience -ийн баримт бичгээс авсан сайхан тайлбарын линкийг энд оруулав. Одоо бид буудлага хийх болно …

Та кубитууд квант компьютер дээр ид шидийн тооцоолох чадварыг хэрхэн өгдөг талаар та арай илүү ихийг сонссон нь эргэлзээгүй. Үндсэн санаа бол энгийн бит нь 0 эсвэл 1 байж болно, харин кубит нь 0, 1 эсвэл тодорхойгүй байж болно. Энэ нь тийм ч ашигтай биш юм шиг санагдаж байна, гэхдээ нэг кубит нь тийм биш юм, гэхдээ олон тооны орооцолдсон кубитууд нь маш ашигтай шинж чанартай байдаг бөгөөд тэдгээрийн тодорхойгүй утгууд нь битийн утгуудын бүх боломжит хослолуудыг нэгэн зэрэг багтааж чаддаг. Жишээлбэл, 6 бит нь 0 -ээс 63 хүртэлх утгатай байж болно (өөрөөр хэлбэл 2^6). Кубитын утгыг уншихад түүний болон түүнтэй холбогдсон бүх кубитуудын утгыг тодорхойлдог бөгөөд кубит бүрийн уншсан ганц утгыг магадлалын дагуу санамсаргүй байдлаар сонгож авдаг; хэрэв тодорхойгүй утга нь 75% 42 ба 25% 0 байвал квант тооцооллыг дөрвөн удаа хийх тутмын 3 орчим нь үр дүн нь 42, бусад удаа 0 байх болно. Гол цэг бол квант тооцооллын үнэлгээ хийх бүх боломжит утгууд ба нэг (хэд хэдэн байж магадгүй) хүчин төгөлдөр хариултуудыг буцааж өгч, олон утгыг нэгэн зэрэг туршиж үздэг бөгөөд энэ бол сэтгэл хөдөлгөм хэсэг юм. Нэг 6 кубит системийн хийж чадах зүйлийг хийхэд 6 битийн 64 систем хэрэгтэй болно.

KREQC-ийн 6 бүрэн орооцолдсон кубит бүр нь 0, 1 эсвэл тодорхойгүй эргэлдэх утгатай байж болно. Тохирох боломжгүй утгыг хэвтээ байрлалд байгаа бүх кубитуудаар илэрхийлнэ. Квант тооцоолол явагдах тусам өөр өөр утгын магадлал өөрчлөгддөг - үнэ цэнийн магадлалыг тусгасан статистик байр суурийг эзэлдэг хувь хүний кубитууд KREQC -д дүрсэлдэг. Эцэст нь, квант тооцооллыг орооцолдсон кубитуудыг хэмжих замаар дуусгавар болгодог бөгөөд энэ нь тодорхойгүй утгыг 0 ба 1 -ийн бүрэн тодорхойлсон дарааллаар буулгадаг. Дээрх видеон дээр та KREQC нь "амьдрал, орчлон ертөнц, бүх зүйлийн эцсийн асуултын хариулт" -ыг тооцоолж байгааг харж болно, өөрөөр хэлбэл 42… нь хоёртын хувьд 101010, кубитуудын арын эгнээнд 101, 010 урд.

Мэдээжийн хэрэг, квант компьютертай холбоотой зарим бэрхшээлүүд байдаг бөгөөд KREQC нь тэдэнд бас зовдог. Мэдээжийн хэрэг, бид зөвхөн 6 биш, хэдэн сая кубит хүсч байна. Гэсэн хэдий ч квант компьютерууд зөвхөн комбинатор логикийг хэрэгжүүлдэг гэдгийг тэмдэглэх нь чухал юм. Үндсэндээ энэ нь квант машин нь Тюринг машин эсвэл ердийн компьютерээс чадвар багатай гэсэн үг юм. KREQC-ийн хувьд бид муж улсын машиныг ажиллуулах явцад нэг удаа очиж үзэх квант тооцооллын дарааллыг гүйцэтгэх ердийн компьютер ашиглан KREQC-ийг хянаж төрийн машиныг хэрэгжүүлдэг.

Тиймээс, өрөөний температурт квант компьютер бүтээцгээе!

Алхам 2: Багаж хэрэгсэл, эд анги, материал

KREQC -д тийм ч их зүйл байдаггүй, гэхдээ танд зарим эд анги, багаж хэрэгсэл хэрэгтэй болно. Багаж хэрэгслүүдээс эхэлье.

• Хэрэглэгчдэд зориулагдсан 3D хэвлэгч рүү нэвтрэх. KREQC -ийн кубитуудыг CNC тээрэмдэх машин, мод ашиглан хийх боломжтой боловч PLA хуванцар шахах замаар хийх нь илүү хялбар бөгөөд цэвэрхэн байдаг. Хамгийн том 3D хэвлэсэн хэсэг нь 180x195x34 мм хэмжээтэй тул хэвлэгч нь үүнийг нэг хэсэг хэвлэх хангалттай том хэвлэх эзлэхүүнтэй бол илүү хялбар болно.
• Гагнуурын төмөр. PLA эд ангиудыг гагнахад ашиглана.
• 1 мм зузаантай жижиг хуванцар эд ангиудыг (серво эвэр) огтлох боломжтой утас таслагч эсвэл өөр зүйл.
• Сонголтоор бол кубитуудыг холбох модон бааз хийх модон багаж хэрэгсэл. Суурь нь тийм ч их шаардлагагүй, учир нь бит бүр нь хяналтын кабелийг ар талаас нь гадагшлуулах боломжийг олгодог суурилуулсан бэхэлгээтэй байдаг.

Танд олон эд анги, материал хэрэггүй:

• Кубит хийх PLA. Хэрэв 100% дүүргэсэн хэлбэрээр хэвлэвэл кубит тутамд 700 грамм PLA -аас бага байх болно; илүү боломжийн 25% дүүргэхэд 300 грамм байвал илүү сайн тооцоо болно. Тиймээс 6 кубитийг ердөө 2 кг жинтэй дамар ашиглан хийж болох бөгөөд энэ нь 15 долларын үнэтэй юм.
• Нэг кубит тутамд нэг SG90 бичил servo. Эдгээрийг тус бүрийг 2 доллараас бага үнээр авах боломжтой. 180 градусын байрлалыг тодорхойлдог бичил servo авахаа мартуузай-танд 90 градусыг хүсэхгүй байна.
• Серво хянагчийн самбар. Arduino ашиглах гэх мэт олон сонголт байдаг боловч маш хялбар сонголт бол Pololu Micro Maestro 6 сувагтай USB Servo Controller бөгөөд 20 доллараас бага үнэтэй байдаг. 12, 18, 24 сувгийг удирдах боломжтой өөр хувилбарууд байдаг.
• Шаардлагатай бол SG90 -ийн өргөтгөл кабель. SG90 -ийн кабелийн урт нь арай өөр боловч та хамгийн багадаа 6 инч орчим зайтай байх шаардлагатай тул сунгах кабель хэрэгтэй болно. Эдгээр нь уртаас хамааран тус бүр нь 0.50 доллараас бага байдаг.
• Pololu ба SG90 -ийн 5V цахилгаан хангамж. Ер нь Пололу нь зөөврийн компьютерт USB холболтоор тэжээгддэг боловч servo -уудыг тусад нь цахилгаан тэжээлээр хангах нь ухаалаг хэрэг юм. Би 5V 2.5A ханын warts ашиглаж байсан, гэхдээ шинэ 3A -ийг 5 доллараас бага үнээр худалдаж авах боломжтой.
• Сонголтоор, бүх зүйлийг хамтад нь барих хоёр талт соронзон хальс. VHB (Маш өндөр бонд) соронзон хальс нь кубит бүрийн гаднах бүрхүүлийг сайн барьж чаддаг боловч гагнуур нь хэзээ ч салгах шаардлагагүй бол илүү сайн ажилладаг.
• Суурийг хийхэд мод, өнгөлгөөний материалаар сонголт хийх боломжтой. Манай дэлгүүрийн хаягдлаар хийгдсэн бөгөөд жигнэмэгийн холбоосоор бэхлэгдсэн бөгөөд эцсийн өнгөлгөө болох тунгалаг полиуретан хэд хэдэн давхаргаар хийгдсэн байдаг.

Бидний бүтээсэн 6-кубит KREQC нь ойролцоогоор 50 долларын хангамжтай байсан.

Алхам 3: 3D хэвлэсэн эд анги: дотоод хэсэг

3D хэвлэсэн бүх эд ангиудыг Thingiverse дээр Thing 3225678 хэлбэрээр чөлөөтэй авах боломжтой. Яг одоо хуулбараа аваарай, бид хүлээх болно …

Аан, удахгүй буцах уу? Болж байна уу. Кубитын бодит "бит" нь хоёр хэсэгт хэвлэгддэг энгийн хэсэг юм, учир нь хоёр хэсгийг гагнах нь нэг хэсгийн хоёр талд боссон үсгийг хэвлэхэд дэмжлэг үзүүлэхээс илүү хялбар байдаг.

Би үүнийг кубитийн гаднах хэсгээс ялгаатай өнгөөр хэвлэхийг зөвлөж байна - жишээлбэл, хар. Бидний хувилбарт бид тодосгогч байдлыг өгөхийн тулд дээд тал нь 0.5 мм хэмжээтэй цагаан өнгийг хэвлэсэн боловч үүнийг өөрчлөх шаардлагатай байв. Хэрэв та үүнийг хийхийг хүсэхгүй бол "1" ба "0" -ийн дээш өргөгдсөн гадаргууг үргэлж будаж болно. Эдгээр хэсгүүдийг хоёуланг нь хэвлэхгүйгээр дэмждэг. Бид 25% дүүргэлт, 0.25мм шахалтын өндөр ашигласан.

Алхам 4: 3D хэвлэсэн эд анги: Гадна хэсэг

Кубит бүрийн гаднах хэсэг нь арай илүү төвөгтэй хэвлэмэл юм. Нэгдүгээрт, эдгээр хэсгүүд нь том, хавтгай тул хэвлэх орноосоо их хэмжээгээр өргөх шаардлагатай болдог. Би ихэвчлэн халуун шилэн дээр хэвлэдэг, гэхдээ тэдгээр нь гэмтэхээс зайлсхийхийн тулд халуун цэнхэр будгийн соронзон хальс дээр нэмэлт хэвлэх савыг шаарддаг. Дахин хэлэхэд 25% дүүргэх ба 0.25 мм давхаргын өндөр нь хангалттай байх ёстой.

Эдгээр хэсгүүд нь хоёулаа хоёулаа хоёулаа далайцтай байдаг. Серво барьсан хөндий нь хоёр талдаа өргөнтэй бөгөөд энэ хөндийн хэмжээсүүд зөв байх нь маш чухал тул дэмжлэгтэйгээр хэвлэх шаардлагатай. Кабелийн чиглүүлэлтийн суваг нь зөвхөн зузаан ар тал дээр байрладаг бөгөөд хамгийн бага хэсэгт бага зэрэг зайг эс тооцвол ямар ч зай гарахаас сэргийлж бүтээгдсэн болно. Хоёр хэсгийн суурийн дотор талд техникийн хувьд суурийн дотоод муруйг дэмждэггүй зай байгаа боловч хэвлэмэл хэсгийн бага зэрэг унжсан эсэх нь хамаагүй тул танд дэмжлэг хэрэггүй.

Дахин хэлэхэд дотоод хэсгүүдээс ялгаатай өнгөний сонголт нь кубитуудын "Q" -ийг илүү тод харагдуулна. Бид нүүрэн талдаа "AGGREGATE. ORG" ба "UKY. EDU" хэсгүүдийг цагаан PLA цэнхэр дэвсгэр дээр хэвлэсэн боловч биеийн өнгө нь илүү дур булаам харагддаг. Дизайн хаанаас гарсныг үзэгчдэд сануулахын тулд тэднийг тэнд үлдээсэнд бид талархаж байна, гэхдээ эдгээр URL -уудыг нүдээр харуулах шаардлагагүй болно.

Эдгээр эд ангиудыг хэвлэсний дараа ямар ч туслах материалыг арилгаж, servo -ийг хоёр хэсэгтэй холбож байгаа эсэхийг шалгаарай. Хэрэв энэ нь тохирохгүй бол дэмжих материалыг үргэлжлүүлэн сонгоорой. Энэ нь нэлээд нягт тохирсон боловч хоёуланг нь хоёуланг нь хооронд нь нийлүүлэх боломжийг олгох ёстой. Хэвлэмэл хуудсан дээр санаатайгаар огтлох бүтэц байдаггүйг анхаарна уу, учир нь бага зэрэг хазайх нь угсрахаас сэргийлдэг.

Алхам 5: Дотор хэсгийг угсрах

Хоёр дотоод хэсгийг авч, "1" -ийн зүүн талд байрлах үзүүртэй цэг нь "0" дээрх үзүүртэй тэнхлэгтэй зэрэгцэн байрлана. Хэрэв та хүсвэл тэдгээрийг хоёр талт соронзон хальсаар түр зуур барьж болно, гэхдээ гол зүйл бол гагнуурын төмрийг ашиглан гагнах явдал юм.

Ирмэгүүд нийлсэн газарт гагнах нь хангалттай. Үүнийг хийхийн тулд эхлээд гагнуурын тусламжтайгаар гагнуурын төмрийг ашиглан PLA -ийг хоёр хэсгийн хооронд хэд хэдэн цэг дээр чирнэ. Эд ангиудыг хооронд нь наалдсаны дараа гагнуурын төмрийг давхаргын эргэн тойронд хийж, байнгын гагнуур үүсгэнэ. Хоёр хэсэг нь дээрх зураг дээр үзүүлсэн хэсгийг хийх ёстой.

Та энэ гагнаж буй хэсгийн арын гаднах хэсэгт оруулж тохирох эсэхийг шалгаж болно. Хурц эргэлтийг эргүүлэхгүй байх ёстой.

Алхам 6: Сервог чиглүүлж, эвэрээ тавь

Үүнийг ажиллуулахын тулд бид servo удирдлага ба servo -ийн эргэлтийн байрлалын хооронд мэдэгдэж буй шууд захидал харилцаатай байх ёстой. Серво бүр хариу өгөх хамгийн бага ба хамгийн их импульсийн өргөнтэй байдаг. Та 180 градусын хөдөлгөөнд найдаж байгаа бөгөөд өөр өөр үйлдвэрлэгчид арай өөр утгатай SG90 үйлдвэрлэдэг (үнэндээ тэдгээр нь арай өөр хэмжээтэй боловч тэдгээр нь ойролцоо хэмжээтэй байх ёстой) зөвшөөрөгдсөн орон зайд багтах). Хамгийн богино импульсийн өргөнийг "0", хамгийн урт нь "1" гэж нэрлэе.

Сервотой хамт ирсэн эвэрний нэгийг авч, утас таслагч эсвэл бусад тохирох хэрэгслийг ашиглан далавчаа хайчилж ав. Серво дээрх маш нарийн арааны давирхайг 3D хэвлэхэд маш хэцүү тул бид үүний тулд нэг servo эвэрний төвийг ашиглах болно. Тайрсан servo эвэрээ servos -ийн аль нэг дээр тавь. Одоо servo -ийг залгаж, "1" байрлалд тавиад энэ байрлалд үлдээнэ үү.

Цонхгүй эргэлт нь цилиндр хэлбэртэй хөндийтэй байдаг бөгөөд энэ нь таны servo дээрх арааны толгойн хэмжээтэй, эвэрнийхээ тайрсан диаметрээс арай бага хэмжээтэй болохыг та анзаарсан байх. Халуун гагнуурын төмрийг аваад тэнхлэгийн нүхний дотор, мөн эвэрний төвийн гадна талыг зөөлөн эргүүл; Та бас хайлуулах гэж байгаа юм биш, зүгээр л зөөлөн болгох гэж байна. Дараа нь, servo -ийг барьж, эвэрний төвийг тэнхлэгийн нүх рүү шууд "1" байрлалд оруулах ёстой. Дотор хэсэг нь servo -ийг байрлуулах үед "1" -ийг харуулна. хойд хэсгийн хөндийд амарч байна.

Хөвсгөл эвэрийг дотогш оруулахдаа ХАЧА -г бага зэрэг нугалж байгааг харах хэрэгтэй. Холбоосыг бага зэрэг хөргөж, дараа нь servo -ийг сугалж ав. Эвэр нь хэсгийг сайн бэхлэх ёстой бөгөөд ингэснээр servo нь ямар ч хамаагүй тоглохгүйгээр хэсгийг чөлөөтэй эргүүлж чадна.

Алхам 7: Кубит бүрийг угсарна

Одоо та кубитуудыг барихад бэлэн боллоо. Гаднах арын хэсгийг хавтгай гадаргуу дээр (жишээлбэл, ширээ) байрлуул, ингэснээр servo хөндий нь дээшээ харсан байх ёстой бөгөөд тавиур нь гадаргуугийн ирмэг дээр өлгөгдсөн байх ёстой. Одоо эвэрт бэхлэгдсэн servo болон дотоод хэсгийг аваад гадна талын хойд хэсэгт оруулна уу. Сервээс авсан кабелийг суваг руу дарна уу.

Бүх зүйл угааж дууссаны дараа урд талын гаднах хэсгийг угсрах хэсэгт байрлуулна. Сервог холбож, угсарч байхдаа юу ч холбоогүй эсвэл буруу байрлуулсан эсэхийг шалгаарай. Одоо VHB соронзон хальс эсвэл гагнуурын төмрийг ашиглан урд болон арын хэсгийг гагнана.

Эдгээр алхмуудыг кубит бүрт давтана.

Алхам 8: суурилуулах

Кубит бүрийн жижиг суурийн арын хэсэгт зүсэлт хийгдсэн бөгөөд энэ нь хянагчтайгаа холбогдохын тулд servo кабелийг ар талаас нь гаргах боломжийг олгодог бөгөөд суур нь кубит тус бүр өөрөө тогтвортой байх хангалттай өргөн тул та үүнийг энгийнээр байрлуулж болно. сунгах кабелийг servo тус бүр дээр байрлуулж, тэдгээрийг ширээ эсвэл бусад тэгш гадаргуу дээр тараана. Гэсэн хэдий ч энэ нь тэдгээрийг холбосон утаснуудыг харуулах болно.

Утас харах нь алс холын аймшигтай үйлдлийн хуурмаг байдлыг үгүй болгодог гэж би боддог, тиймээс би утсыг бүрэн нуухыг илүүд үздэг. Үүнийг хийхийн тулд бидэнд кубвит бүрийн доор нүхтэй бэхэлгээний тавцан хэрэгтэй бөгөөд энэ нь servo кабелийн холбогчийг нэвтрүүлэхэд хангалттай том юм. Мэдээжийн хэрэг, бид кубит бүрийг байрлуулсан газартаа байлгахыг хүсч байгаа тул сууринд 1/4-20 гэсэн гурван цоорхой байна. Зорилго нь төвийг ашиглах явдал юм, гэхдээ бусад зүйлийг илүү аюулгүй болгохын тулд ашиглаж болно, эсвэл төв утас хэт чангарснаар хуулагдаж байвал. Тиймээс, нэг нь кубит бүрийн хувьд сууринд ойрхон зайтай хоёр цооног өрөмддөг: нэг нь 1/4-20 шурагтай утас, нөгөө нь servo кабелийн холбогчийг дамжуулдаг.

3/4 "мод хамгийн түгээмэл байдаг тул та үүнийг миний хийсэн шиг суурийн дээд хэсэгт ашиглахыг хүсч магадгүй юм. Ийм тохиолдолд танд 1/4-20 эрэг эсвэл боолт ойролцоогоор 1.25" хэрэгтэй болно. урт Та тэдгээрийг ямар ч барилгын дэлгүүрээс ойролцоогоор 1 доллараар худалдаж авах боломжтой. Эсвэл та тэдгээрийг 3D хэвлэх боломжтой … гэхдээ хэрэв та хэвлэх юм бол нэг нэгээр нь хэвлэхийг зөвлөж байна, учир нь энэ нь нарийн боолтны утаснуудын согогийг багасгадаг.

Мэдээжийн хэрэг, бэхэлгээний хэмжээ нь тийм ч чухал биш боловч танд хэрэгтэй өргөтгөл кабелийн уртыг тодорхойлох болно. KREQC нь гурван кубит хоёр эгнээгээр хийгдсэн бөгөөд уг бэхэлгээ нь гар чемоданд багтахаар хийгдсэн бөгөөд үүнийг бид IEEE/ACM SC18 судалгааны үзэсгэлэнд авчирсан юм.

Алхам 9: Үүнийг брэнд болгоно уу

Эцсийн алхам бол квант компьютераа шошголохоо бүү мартаарай!

Бид алтан дээр хараар нэрлэсэн хавтанг 3D хэвлэж, дараа нь суурийн модон урд талд бэхлэв. Өөр өөр аргаар, жишээ нь хавсаргасан PDF хавтангийн зургийг лазер эсвэл бэхэн принтерээр 2D хэвлэх гэх мэтээр шошголох боломжтой. Кубит бүрийг байрлалаар нь шошголох нь гэмтээхгүй, ялангуяа хэрэв та кубитуудыг суурин дээр хэрхэн яаж байрлуулах талаар хэтэрхий бүтээлч хандвал.

Та 3D хэвлэсэн кубит түлхүүрийн оосор тараах дуртай байж магадгүй юм. Тэд хоорондоо орооцолддоггүй, мотортой байдаггүй, гэхдээ та тэднийг үлээж, KREQC-ийн жагсаалын гайхалтай сануулгыг хийснээр тэд чөлөөтэй эргэлддэг.