KREQC: Rotationsemulierter Quantencomputer von Kentucky - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Wir nennen es "Creek" - geschrieben KREQC: Kentucky's Rotationally Emulated Quantum Computer. Ja, dieses anweisbare zeigt Ihnen, wie Sie Ihren eigenen funktionierenden Quantencomputer herstellen, der bei Raumtemperatur mit einer minimalen Zykluszeit von etwa 1/2 Sekunde zuverlässig arbeitet. Die Gesamtkosten für den Bau betragen 50 bis 100 US-Dollar.

Anders als der auf dem zweiten Foto gezeigte Quantencomputer IBM Q nutzt KREQC nicht direkt Phänomene der Quantenphysik, um seine vollständig verschränkten Qubits zu implementieren. Nun, ich denke, wir könnten argumentieren, dass alles Quantenphysik verwendet, aber es sind wirklich nur konventionell gesteuerte Servos, die Einsteins "spukhafte Fernwirkung" in KREQC implementieren. Auf der anderen Seite ermöglichen diese Servos KREQC, das Verhalten ziemlich gut zu emulieren, wodurch die Bedienung leicht zu sehen und zu erklären ist. Apropos Erklärungen….

Schritt 1: Was ist ein Quantencomputer?

Bevor wir unsere Erklärung geben, ist hier ein Link zu einer schönen Erklärung aus der Dokumentation zu IBM Q Experience. Jetzt nehmen wir unseren Schuss….

Zweifellos haben Sie mehr als nur ein bisschen (Wortspiel beabsichtigt) darüber gehört, wie Qubits Quantencomputern magische Rechenfähigkeiten verleihen. Die Grundidee ist, dass ein gewöhnliches Bit entweder 0 oder 1 sein kann, ein Qubit 0, 1 oder unbestimmt sein kann. Das scheint an sich nicht besonders nützlich zu sein – und mit nur einem Qubit ist es es auch nicht –, aber mehrere verschränkte Qubits haben die ziemlich nützliche Eigenschaft, dass ihre unbestimmten Werte alle möglichen Kombinationen von Bitwerten gleichzeitig abdecken können. Zum Beispiel können 6 Bits einen beliebigen Wert von 0 bis 63 (d. h. 2^6) haben, während 6 Qubits einen unbestimmten Wert haben können, der alle Werte von 0 bis 63 mit einer potenziell unterschiedlichen Wahrscheinlichkeit für jeden möglichen Wert enthält. Wenn der Wert eines Qubits gelesen wird, werden dessen Werte und alle damit verschränkten Qubits bestimmt, wobei der einzelne gelesene Wert für jedes Qubit zufällig gemäß den Wahrscheinlichkeiten ausgewählt wird; wenn der unbestimmte Wert 75 % 42 und 25 % 0 beträgt, dann wird ungefähr 3 von vier Malen der Quantenberechnung das Ergebnis 42 und das andere Mal 0 sein. Der entscheidende Punkt ist, dass die Quantenberechnung auswertet alle möglichen Werte und gibt eine (von möglicherweise mehreren) gültigen Antworten zurück, wobei exponentiell viele Werte gleichzeitig ausprobiert werden - und das ist der aufregende Teil. Es wären 64 6-Bit-Systeme erforderlich, um das zu tun, was ein 6-Qubit-System leisten kann.

Jedes der 6 vollständig verschränkten Qubits von KREQC kann einen Rotationswert von 0, 1 oder unbestimmt haben. Der gleichwahrscheinlich unbestimmte Wert wird dadurch dargestellt, dass sich alle Qubits in horizontaler Position befinden. Während eine Quantenberechnung fortschreitet, ändern sich Wahrscheinlichkeiten verschiedener Werte – dargestellt in KREQC durch die einzelnen Qubits, die wackeln und statistische Positionen einnehmen, die die Wahrscheinlichkeiten von Werten widerspiegeln. Schließlich wird die Quantenberechnung beendet, indem die verschränkten Qubits gemessen werden, was den unbestimmten Wert in eine vollständig bestimmte Folge von Nullen und Einsen kollabiert. Im obigen Video sehen Sie, wie KREQC die „Antwort auf die ultimative Frage des Lebens, des Universums und alles“berechnet – mit anderen Worten, 42… was in binärer Form 101010 ist, mit 101 in der hinteren Reihe der Qubits und 010 in die Front.

Natürlich gibt es einige Probleme mit Quantencomputern, und KREQC leidet auch darunter. Eine offensichtliche ist, dass wir wirklich Millionen von Qubits wollen, nicht nur 6. Es ist jedoch auch wichtig zu beachten, dass Quantencomputer nur kombinatorische Logik implementieren – im Gegensatz zu dem, was wir Computeringenieure eine Zustandsmaschine nennen. Im Grunde bedeutet dies, dass eine Quantenmaschine an sich weniger leistungsfähig ist als eine Turing-Maschine oder ein konventioneller Computer. Im Fall von KREQC implementieren wir Zustandsautomaten, indem wir KREQC mit einem herkömmlichen Computer steuern, um eine Folge von Quantenberechnungen durchzuführen, eine pro Zustandsbesuch bei der Ausführung des Zustandsautomaten.

Also, lass uns einen Quantencomputer bei Raumtemperatur bauen!

Schritt 2: Werkzeuge, Teile und Materialien

KREQC hat nicht viel zu bieten, aber Sie benötigen einige Teile und Werkzeuge. Beginnen wir mit den Werkzeugen:

• Zugang zu einem 3D-Drucker für Verbraucher. Es wäre möglich, die Qubits von KREQC mit einer CNC-Fräsmaschine und Holz herzustellen, aber es ist viel einfacher und sauberer, sie durch Extrudieren von PLA-Kunststoff herzustellen. Das größte 3D-gedruckte Teil ist 180 x 195 x 34 mm groß, also ist es viel einfacher, wenn der Drucker ein ausreichend großes Druckvolumen hat, um es in einem Stück zu drucken.
• Ein Lötkolben. Zum Schweißen von PLA-Teilen.
• Drahtschneider oder etwas anderes, das kleine 1 mm dicke Kunststoffteile (die Servohörner) schneiden kann.
• Optional Holzbearbeitungswerkzeuge zur Herstellung eines Holzsockels zur Montage der Qubits. Eine Basis ist nicht unbedingt erforderlich, da jedes Bit einen eingebauten Ständer hat, der es ermöglicht, ein Steuerkabel nach hinten herauszuführen.

Sie benötigen auch nicht viele Teile und Materialien:

• PLA für die Qubits. Bei einer Druckfüllung von 100 % wären es immer noch weniger als 700 Gramm PLA pro Qubit; bei einer vernünftigeren Füllung von 25 % wären 300 Gramm eine bessere Schätzung. So könnten 6 Qubits mit nur einer 2 kg-Spule zu Materialkosten von etwa 15 US-Dollar hergestellt werden.
• Ein SG90-Mikroservo pro Qubit. Diese sind für jeweils unter 2 US-Dollar erhältlich. Stellen Sie sicher, dass Sie Mikroservos erhalten, die einen 180-Grad-Positionierungsbetrieb spezifizieren - Sie möchten keine 90-Grad-Servos oder solche, die für eine kontinuierliche Drehung mit variabler Geschwindigkeit ausgelegt sind.
• Eine Servo-Controller-Platine. Es gibt viele Möglichkeiten, einschließlich der Verwendung eines Arduino, aber eine sehr einfache Wahl ist der Pololu Micro Maestro 6-Kanal-USB-Servocontroller, der unter 20 US-Dollar kostet. Es gibt andere Versionen, die 12, 18 oder 24 Kanäle verarbeiten können.
• Verlängerungskabel für die SG90s nach Bedarf. Die Kabel der SG90s variieren in der Länge etwas, aber Sie müssen die Qubits mindestens 15 cm voneinander trennen, daher werden Verlängerungskabel benötigt. Diese liegen je nach Länge leicht unter 0,50 USD.
• Ein 5V Netzteil für Pololu und SG90s. Normalerweise wird der Pololu über eine USB-Verbindung mit einem Laptop mit Strom versorgt, aber es kann sinnvoll sein, eine separate Stromversorgung für die Servos zu haben. Ich habe eine 5V 2,5A Wandwarze verwendet, die ich herum hatte, aber neue 3A können für unter 5 US-Dollar gekauft werden.
• Optional 2-seitiges Klebeband, um die Dinge zusammenzuhalten. VHB-Klebeband (Very-High Bond) hält die äußere Hülle jedes Qubits gut zusammen, obwohl das Schweißen noch besser funktioniert, wenn Sie es nie auseinander nehmen müssen.
• Optional Holz- und Veredelungszubehör für die Herstellung des Sockels. Unseres wurde aus Ladenabfällen hergestellt und wird durch Biskuitverbindungen zusammengehalten, mit mehreren Schichten klarem Polyurethan als letztes Finish.

Alles in allem kostete der von uns gebaute 6-Qubit-KREQC etwa 50 US-Dollar an Verbrauchsmaterial.

Schritt 3: 3D-gedruckte Teile: das innere Teil

Alle 3D-gedruckten Teiledesigns sind als Thing 3225678 bei Thingiverse frei verfügbar. Holen Sie sich jetzt Ihr Exemplar… wir warten….

Ah, so bald zurück? Okay. Das eigentliche "Bit" im Qubit ist ein einfaches Teil, das in zwei Teilen gedruckt wird, weil es einfacher ist, zwei Teile zusammenzuschweißen, als Stützen zu verwenden, um erhabene Schrift auf beiden Seiten eines Teils zu drucken.

Ich empfehle, dies in einer Farbe zu drucken, die sich vom äußeren Teil des Qubits abhebt – zum Beispiel Schwarz. In unserer Version haben wir die oberen 0,5 mm in Weiß gedruckt, um einen Kontrast zu erzielen, aber das erforderte einen Filamentwechsel. Wenn Sie das nicht tun möchten, können Sie immer nur die erhöhten Flächen der "1" und "0" bemalen. Beide Teile drucken ohne Spannweiten und damit ohne Stützen. Wir haben eine Füllung von 25 % und eine Extrusionshöhe von 0,25 mm verwendet.

Schritt 4: 3D-gedruckte Teile: das äußere Teil

Der äußere Teil jedes Qubits ist etwas komplizierter. Erstens sind diese Teile groß und flach und unterliegen daher viel Abheben von Ihrem Druckbett. Normalerweise drucke ich auf heißem Glas, aber diese erforderten den zusätzlichen Druck auf heißem blauem Malerband, um ein Verziehen zu vermeiden. Auch hier sollten 25 % Füllung und 0,25 mm Schichthöhe mehr als ausreichen.

Auch diese Teile haben beide Spannweiten. Der Hohlraum, der das Servo hält, hat Spannweiten auf beiden Seiten und es ist wichtig, dass die Abmessungen dieses Hohlraums korrekt sind - daher muss er mit Unterstützung gedruckt werden. Der Kabelführungskanal befindet sich nur auf der dickeren Rückseite und ist so konstruiert, dass bis auf ein kleines bisschen an der Unterseite keine Spannweiten auftreten. Die Innenseite der Basis beider Teile hat technisch gesehen eine nicht unterstützte Spannweite für die innere Krümmung der Basis, aber es spielt keine Rolle, ob dieser Teil des Drucks ein wenig durchhängt, sodass Sie dort keine Unterstützung benötigen.

Auch hier macht eine Farbwahl, die mit den inneren Teilen kontrastiert, das "Q" der Qubits besser sichtbar. Obwohl wir die Front mit den Teilen "AGGREGATE. ORG" und "UKY. EDU" in weißem PLA auf blauem PLA-Hintergrund gedruckt haben, könntest du die kontrastärmere Optik in Wagenfarbe ansprechender finden. Wir freuen uns, dass Sie sie dort belassen, um die Zuschauer daran zu erinnern, woher das Design stammt, aber es ist nicht erforderlich, diese URLs visuell zu rufen.

Sobald diese Teile gedruckt wurden, entfernen Sie jegliches Stützmaterial und stellen Sie sicher, dass das Servo mit den beiden zusammengehaltenen Teilen passt. Wenn es nicht passt, suchen Sie weiter das Trägermaterial aus. Es ist eine ziemlich enge Passform, sollte aber beide Hälften bündig zusammenschieben lassen. Beachten Sie, dass der Druck bewusst keine Ausrichtungsstrukturen enthält, da selbst ein leichtes Verziehen dazu führen würde, dass sie die Montage verhindern.

Schritt 5: Montieren Sie das Innenteil

Nehmen Sie die beiden inneren Teile und richten Sie sie Rücken an Rücken so aus, dass der spitze Drehpunkt links von der "1" mit dem spitzen Drehpunkt der "0" ausgerichtet ist. Sie können sie bei Bedarf vorübergehend mit doppelseitigem Klebeband zusammenhalten, aber der Schlüssel ist, sie mit einem heißen Lötkolben zusammenzuschweißen.

Es genügt, dort zu schweißen, wo die Kanten zusammenlaufen. Tun Sie dies, indem Sie zuerst das Heftschweißen verwenden, indem Sie PLA mit dem Lötkolben an mehreren Stellen über die Kante zwischen den beiden Teilen zusammenziehen. Nachdem die Teile zusammengeheftet wurden, führen Sie den Lötkolben um die Naht herum, um eine dauerhafte Schweißnaht zu erzeugen. Die beiden Teile sollten das im Bild oben gezeigte Teil ergeben.

Sie können die Passung dieses Schweißteils überprüfen, indem Sie es in das hintere Außenteil einlegen. Sie müssen es leicht neigen, um den spitzen Drehpunkt in die Seite zu bringen, die keinen Servohohlraum hat, aber sobald er drin ist, sollte er sich frei drehen.

Schritt 6: Orientieren Sie den Servo und stellen Sie das Horn ein

Damit dies funktioniert, benötigen wir eine bekannte direkte Übereinstimmung zwischen Servosteuerung und Drehposition des Servos. Jedes Servo hat eine minimale und maximale Impulsbreite, auf die es reagiert. Diese müssen Sie für Ihre Servos empirisch ermitteln, da wir mit der vollen 180-Grad-Bewegung rechnen und verschiedene Hersteller SG90s mit leicht unterschiedlichen Werten produzieren (eigentlich haben sie auch leicht unterschiedliche Größen, aber sie sollten nah genug dran sein in den zulässigen Raum passen). Nennen wir die kürzeste Impulsbreite "0" und die längste "1".

Nehmen Sie eines der Hörner, die mit Ihrem Servo geliefert wurden, und schneiden Sie die Flügel mit einem Drahtschneider oder einem anderen geeigneten Werkzeug ab - wie auf dem Foto oben zu sehen. Die sehr feine Gangteilung des Servos ist sehr schwierig in 3D zu drucken, daher verwenden wir stattdessen die Mitte eines der Servohörner dafür. Setzen Sie das getrimmte Servohorn auf eines der Servos. Stecken Sie nun das Servo ein, stellen Sie es auf die Position "1" und lassen Sie es in dieser Position.

Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass der nicht spitze Drehzapfen einen zylindrischen Hohlraum hat, der ungefähr die Größe des Getriebekopfes Ihres Servos hat - und etwas kleiner als der Durchmesser Ihres getrimmten Hornzentrums. Nehmen Sie den heißen Lötkolben und schwenken Sie ihn vorsichtig in das Loch im Zapfen und auch um die Außenseite des getrimmten Hornzentrums; du versuchst auch nicht zu schmelzen, sondern sie nur weich zu machen. Halten Sie als nächstes das Servo fest und drücken Sie die Hupenmitte gerade in das Loch im Drehpunkt, wobei sich das Servo in der Position „1“befinden sollte – wobei der innere Teil die „1“zeigt, wenn das Servo so positioniert ist, wie es wäre, wenn im Hohlraum im äußeren hinteren Teil ruht.

Sie sollten sehen, wie sich das PLA ein wenig umklappt, wenn Sie das beschnittene Horn eindrücken, wodurch eine sehr feste Verbindung zum Horn entsteht. Lassen Sie die Bindung etwas abkühlen und ziehen Sie dann das Servo heraus. Das Horn sollte das Teil nun gut genug verkleben, damit das Servo das Teil ohne nennenswertes Spiel frei drehen kann.

Schritt 7: Montieren Sie jeden Qubit

Jetzt können Sie die Qubits erstellen. Legen Sie das äußere hintere Teil auf eine ebene Fläche (z. B. einen Tisch), so dass die Servoöffnung nach oben zeigt und der Ständer über die Oberflächenkante hängt, sodass das äußere hintere Teil flach sitzt. Nehmen Sie nun Servo und Innenteil, das am Horn befestigt ist, und stecken Sie diese in das hintere Außenteil. Drücken Sie das Kabel vom Servo in den Kanal dafür.

Sobald alles bündig sitzt, legen Sie das vordere Außenteil über die Baugruppe. Schließen Sie das Servo an und betätigen Sie es, während Sie die Baugruppe zusammenhalten, um sicherzustellen, dass nichts klemmt oder falsch ausgerichtet ist. Verwenden Sie nun entweder VHB-Band oder verwenden Sie einen Lötkolben, um die äußere Vorder- und Rückseite zusammenzuschweißen.

Wiederholen Sie diese Schritte für jedes Qubit.

Schritt 8: Montage

Die kleine Basis jedes Qubits hat einen Schnitt auf der Rückseite, mit dem Sie das Servokabel aus der Rückseite herausführen können, um eine Verbindung zu Ihrem Controller herzustellen, und die Basis ist breit genug, damit jedes Qubit für sich alleine stabil ist Verlängerungskabel an jedem Servo und verlegen Sie sie über einen Tisch oder eine andere ebene Fläche. Das zeigt jedoch die Drähte, die sie verbinden….

Ich habe das Gefühl, dass das Sehen von Drähten die Illusion einer gruseligen Aktion aus der Ferne ruiniert, daher ziehe ich es vor, die Drähte vollständig zu verstecken. Dazu benötigen wir lediglich eine Montageplattform mit einem Loch unter jedem Qubit, das groß genug ist, damit der Servokabelstecker hindurchpasst. Natürlich möchten wir, dass jedes Qubit dort bleibt, wo es hingehört, also gibt es drei 1/4-20 Gewindebohrungen in der Basis. Die Absicht ist, das mittlere Gewinde zu verwenden, aber die anderen können verwendet werden, um die Dinge sicherer zu machen oder wenn das zentrale Gewinde durch zu starkes Anziehen abgezogen wird. So bohrt man für jedes Qubit zwei eng beieinander liegende Löcher in die Basis: eines für ein 1/4-20-Schraubengewinde, das andere für den Servokabelstecker.

Da 3/4 "Holz am häufigsten vorkommt, möchten Sie es wahrscheinlich für die Oberseite der Basis verwenden - wie ich es getan habe. In diesem Fall benötigen Sie eine 1/4-20 Schraube oder einen Bolzen von etwa 1,25" lang. Sie können sie in jedem Baumarkt zu einem Preis von etwa 1 US-Dollar für sechs kaufen. Alternativ können Sie sie in 3D drucken… aber ich empfehle, sie einzeln zu drucken, wenn Sie sie drucken, da dies die Defekte im feinen Schraubengewinde minimiert.

Die Abmessungen der Halterung sind natürlich nicht entscheidend, aber sie bestimmen die Länge der benötigten Verlängerungskabel. KREQC wurde in zwei Reihen mit drei Qubits erstellt, hauptsächlich damit die Halterung in einen Handgepäckkoffer passt, und so haben wir es zu unserer IEEE/ACM SC18-Forschungsausstellung gebracht.

Schritt 9: Marke It

Vergessen Sie als letzten Schritt nicht, Ihren Quantencomputer zu beschriften!

Wir haben ein Namensschild in Schwarz auf Gold in 3D gedruckt, das dann an der Holzfront des Sockels befestigt wurde. Sie können Ihre Beschriftung auch auf andere Weise beschriften, z. B. durch 2D-Druck des beigefügten PDF-Typenschildbildes mit einem Laser- oder Tintenstrahldrucker. Es würde auch nicht schaden, jedes Qubit mit seiner Position zu beschriften, besonders wenn Sie zu kreativ werden, wie Sie die Qubits auf der Basis anordnen.

Sie können auch gerne 3D-gedruckte Qubit-Schlüsselanhänger verteilen. sie sind weder verheddert noch motorisiert, aber sie drehen sich frei, wenn Sie darauf blasen und sind eine großartige Erinnerung an eine KREQC-Demonstration.