KREQC: کامپیوتر کوانتومی کنتاکی شبیه سازی چرخشی: 9 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

ما آن را "نهر" می نامیم - KREQC: رایانه کوانتومی شبیه سازی چرخشی کنتاکی. بله ، این دستورالعمل به شما نشان می دهد که چگونه می توانید کامپیوتر کوانتومی کارکرده خود را بسازید که در دمای اتاق با حداقل زمان چرخه حدود 1/2 ثانیه کار می کند. هزینه کل ساخت 50 تا 100 دلار است.

برخلاف کامپیوتر کوانتومی IBM Q که در عکس دوم نشان داده شده است ، KREQC مستقیماً از پدیده های فیزیک کوانتومی برای پیاده سازی کیوبیت های کاملاً درهم تنیده خود استفاده نمی کند. خوب ، من تصور می کنم ما می توانیم استدلال کنیم که همه چیز از فیزیک کوانتومی استفاده می کند ، اما در واقع این سرویس های تحت کنترل متعارف هستند که "اقدام وحشتناک در فاصله" اینشتین را در KREQC اجرا می کنند. از سوی دیگر ، این سرویس ها به KREQC اجازه می دهند تا رفتار را به خوبی تقلید کند ، بنابراین عملیات مشاهده و توضیح آن آسان می شود. صحبت از توضیحات….

مرحله 1: کامپیوتر کوانتومی چیست؟

قبل از ارائه توضیحات ما ، در اینجا پیوندی به توضیح خوبی از مستندات IBM Q Experience آمده است. حالا ما شلیک می کنیم….

بدون شک ، شما بیش از کمی در مورد نحوه استفاده از کیوبیت ها در محاسبه جادویی بر روی کامپیوترهای کوانتومی شنیده اید. ایده اصلی این است که در حالی که یک بیت معمولی می تواند 0 یا 1 باشد ، یک کیوبیت می تواند 0 ، 1 یا نامشخص باشد. به خودی خود ، این امر چندان مفید به نظر نمی رسد - و فقط با یک کیوبیت اینطور نیست - اما کیوبیت های درهم تنیده دارای ویژگی نسبتاً مفیدی هستند که مقادیر نامشخص آنها می تواند به طور همزمان همه ترکیبات ممکن از مقادیر بیت را پوشش دهد. به عنوان مثال ، 6 بیت می تواند هر مقدار را از 0 تا 63 (یعنی 2^6) داشته باشد ، در حالی که 6 کیوبیت می توانند دارای مقدار نامعین باشند که همه مقادیر 0 تا 63 هستند و احتمال بالقوه متفاوتی با هر مقدار ممکن دارد. هنگامی که مقدار کیوبیت خوانده می شود ، مقادیر آن و تمام کیوبیت های درگیر با آن مشخص می شوند و مقدار خوانده شده برای هر کیوبیت به طور تصادفی مطابق با احتمالات انتخاب می شود. اگر مقدار نامعین 75 42 42 و 25 0 0 باشد ، تقریباً 3 بار از هر چهار بار محاسبه کوانتومی انجام می شود ، نتیجه 42 و بارهای دیگر 0 خواهد بود. نکته کلیدی این است که محاسبه کوانتومی ارزیابی می شود همه مقادیر ممکن و یک پاسخ (به طور بالقوه متعدد) معتبر ، با تلاش نمایی بسیاری از مقادیر به طور همزمان - و این بخش هیجان انگیز است. برای انجام کاری که یک سیستم 6 کیوبیتی انجام می دهد ، 64 سیستم 6 بیتی نیاز است.

هر یک از 6 کیوبیت کاملاً درهم تنیده KREQC می تواند دارای مقدار چرخشی 0 ، 1 یا نامشخص باشد. مقدار نامعلوم معادل توسط تمام کیوبیت هایی که در موقعیت افقی قرار دارند نشان داده می شود. با پیشروی محاسبه کوانتومی ، احتمالات مقادیر مختلف تغییر می کند - در KREQC با تکان خوردن کیوبیت های جداگانه و در نظر گرفتن موقعیت های آماری منعکس کننده احتمالات مقادیر نشان داده می شود. در نهایت ، محاسبه کوانتومی با اندازه گیری کیوبیت های درهم تنیده خاتمه می یابد ، که مقدار نامعین را در یک دنباله کاملاً تعیین شده از 0s و 1s فرو می ریزد. در ویدئوی بالا ، KREQC را مشاهده می کنید که "پاسخ به سوال نهایی زندگی ، جهان و همه چیز" را محاسبه می کند - به عبارت دیگر ، 42 … که به صورت باینری 101010 است ، 101 در ردیف پشت کیوبیت و 010 در جلو

البته برخی از مشکلات کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد و KREQC نیز آنها را دچار مشکل می کند. یکی از واضحات این است که ما واقعاً میلیون ها کیوبیت می خواهیم ، نه فقط 6. با این حال ، مهم است که توجه داشته باشیم که کامپیوترهای کوانتومی فقط منطق ترکیبی را اجرا می کنند - برخلاف آنچه ما مهندسان کامپیوتر ما آن را ماشین دولتی می نامیم. اساساً ، این بدان معناست که یک ماشین کوانتومی به تنهایی توانایی کمتری نسبت به یک ماشین تورینگ یا یک رایانه معمولی دارد. در مورد KREQC ، ما ماشین های حالت را با کنترل KREQC با استفاده از یک رایانه معمولی برای انجام دنباله ای از محاسبات کوانتومی ، یکی در هر بازدید حالت در اجرای ماشین حالت ، پیاده سازی می کنیم.

بنابراین ، بیایید یک کامپیوتر کوانتومی با دمای اتاق بسازیم!

مرحله 2: ابزارها ، قطعات و مواد

KREQC چیز زیادی ندارد ، اما شما به قطعات و ابزار نیاز دارید. بیایید با ابزارها شروع کنیم:

• دسترسی به چاپگر سه بعدی درجه مصرف کننده ساخت کیوبیت های KREQC با استفاده از دستگاه فرز CNC و چوب امکان پذیر است ، اما ساخت آنها با اکستروژن پلاستیک PLA بسیار ساده تر و دقیق تر است. بزرگترین قسمت چاپ سه بعدی 180x195x34mm است ، بنابراین اگر چاپگر دارای حجم چاپ به اندازه کافی بزرگ برای چاپ یک تکه باشد ، کارها بسیار ساده تر می شود.
• آهن لحیم کاری. برای جوشکاری قطعات PLA استفاده می شود.
• دستگاه های برش سیم یا چیز دیگری که می تواند قطعات کوچک پلاستیکی به ضخامت 1 میلی متر (شاخ سرو) را برش دهد.
• در صورت تمایل ، ابزار نجاری برای ساختن پایه چوبی برای نصب کیوبیت ها. یک پایه به شدت مورد نیاز نیست زیرا هر بیت دارای یک پایه داخلی است که به یک کابل کنترل اجازه می دهد از پشت خارج شود.

شما به قطعات و مواد زیادی نیز نیاز ندارید:

• PLA برای ساخت کیوبیت اگر 100٪ پر شود ، هنوز کمتر از 700 گرم PLA در هر کیوبیت است. با 25٪ پر کردن منطقی تر ، 300 گرم تخمین بهتری خواهد بود. بنابراین ، می توان 6 کیوبیت با استفاده از یک قرقره 2 کیلوگرمی با هزینه ای حدود 15 دلار تهیه کرد.
• یک سروو میکرو SG90 در هر کیوبیت. اینها با قیمت کمتر از 2 دلار در دسترس هستند. اطمینان حاصل کنید که میکرو سرویس هایی که عملکرد موقعیت 180 درجه را مشخص می کنند دریافت کنید-شما نه 90 درجه می خواهید و نه آنها را می خواهید که برای چرخش مداوم با سرعت متغیر طراحی شده باشند.
• برد کنترل سروو. گزینه های زیادی وجود دارد ، از جمله استفاده از آردوینو ، اما یک انتخاب بسیار آسان ، کنترل کننده سرولو USB 6 کاناله Pololu Micro Maestro است که هزینه آن کمتر از 20 دلار است. نسخه های دیگری نیز وجود دارد که می توانند 12 ، 18 یا 24 کانال را اداره کنند.
• در صورت نیاز کابلهای فرمت SG90s. طول کابل های SG90 تا حدودی متفاوت است ، اما شما نیاز به کیوبیت هایی دارید که حداقل 6 اینچ از یکدیگر جدا شوند ، بنابراین به کابل های فرمت نیاز است. بسته به طول ، اینها به راحتی زیر 0.50 دلار هستند.
• منبع تغذیه 5 ولت برای Pololu و SG90s. به طور معمول ، Pololu از طریق اتصال USB به لپ تاپ تغذیه می شود ، اما داشتن منبع تغذیه جداگانه برای سروها می تواند عاقلانه باشد. من از زگیل دیواری 5 ولت 2.5 آمپر استفاده کردم ، اما 3A جدید را می توان زیر 5 دلار خرید.
• در صورت تمایل ، نوار دو طرفه برای نگه داشتن وسایل در کنار هم. نوار VHB (پیوند بسیار بالا) به خوبی می تواند پوسته بیرونی هر کیوبیت را در کنار هم نگه دارد ، اگرچه جوشکاری حتی اگر نیازی به جدا کردن آن نباشد ، حتی بهتر عمل می کند.
• در صورت تمایل ، چوب و لوازم تکمیل برای ساخت پایه. ما از ضایعات مغازه ساخته شده است و توسط اتصالات بیسکویت به هم چسبیده است و چندین لایه از پلی اورتان شفاف به عنوان نهایی به پایان می رسد.

به طور کلی ، KREQC 6 کیوبیتی که ما ساخته بودیم حدود 50 دلار هزینه داشت.

مرحله 3: قطعات چاپ سه بعدی: قسمت داخلی

تمام طرح های قسمت چاپ شده سه بعدی بصورت Thing 3225678 در Thingiverse در دسترس هستند. برو کپی خودت را بگیر … منتظر می مانیم….

آه ، به این زودی برگشتی؟ خوب. "بیت" واقعی در کیوبیت یک قسمت ساده است که در دو قطعه چاپ می شود ، زیرا کار با جوش دو قطعه با یکدیگر آسان تر از استفاده از تکیه گاه برای چاپ حروف برجسته در دو طرف یک قسمت است.

به عنوان مثال ، توصیه می کنم این رنگ را با رنگی که با قسمت بیرونی کیوبیت در تضاد است چاپ کنید. در نسخه ما ، 0.5 میلی متر بالا را با رنگ سفید چاپ کردیم تا کنتراست ایجاد شود ، اما این امر نیاز به تغییر رشته داشت. اگر ترجیح می دهید این کار را نکنید ، همیشه می توانید سطوح برجسته "1" و "0" را رنگ آمیزی کنید. هر دو این قطعات بدون دهانه و در نتیجه بدون پشتیبانی چاپ می شوند. ما از 25٪ ارتفاع اکستروژن پر کننده و 0.25 میلی متر استفاده کردیم.

مرحله 4: قطعات چاپ سه بعدی: قسمت بیرونی

قسمت بیرونی هر کیوبیت کمی پیچیده تر است. اول ، این قطعات بزرگ و مسطح هستند ، بنابراین می توانید از تخت چاپ خود بلند کنید. من معمولاً روی شیشه داغ چاپ می کنم ، اما برای جلوگیری از پیچ خوردگی ، چاپ اضافی روی نوار نقاش آبی داغ نیاز داشت. باز هم ، 25٪ پر شدن و 0.25 میلی متر ارتفاع لایه باید بیش از اندازه کافی باشد.

این قطعات نیز هر دو دهانه دارند. حفره ای که سروو را نگه می دارد دارای دهانه هایی در دو طرف است و بسیار مهم است که ابعاد این حفره درست باشد - بنابراین باید با پشتیبانی چاپ شود. کانال مسیریابی کابل فقط در پشت ضخیم تر است و به گونه ای ساخته شده است که از هیچ دهانه ای به جز مقدار کمی در پایه جلوگیری می کند. قسمت داخلی پایه در هر دو قطعه از لحاظ فنی دارای یک محدوده پشتیبانی نشده برای منحنی داخلی پایه است ، اما مهم نیست که آن قسمت از چاپ کمی افت کند ، بنابراین نیازی به پشتیبانی در آنجا ندارید.

باز هم ، انتخاب رنگی که با قسمت های داخلی تضاد داشته باشد ، "Q" کیوبیت ها را بیشتر نمایان می کند. اگرچه ما قسمت جلویی را با قطعات "AGGREGATE. ORG" و "UKY. EDU" با رنگ سفید PLA در زمینه PLA آبی چاپ کردیم ، اما ممکن است ظاهر کنتراست پایین رنگ بدنه آنها جذاب تر باشد. قدردانی می کنیم که آنها را در آنجا گذاشته اید تا به بینندگان یادآوری کند که این طرح از کجا آمده است ، اما نیازی به فریاد بصری این URL ها نیست.

پس از چاپ این قطعات ، هرگونه مواد نگهدارنده را بردارید و مطمئن شوید که سروو با دو قطعه ای که در کنار هم نگه داشته شده اند مطابقت دارد. اگر مناسب نیست ، به انتخاب مواد پشتیبانی ادامه دهید. این حالت بسیار محکم است ، اما باید اجازه دهد هر دو نیمه با هم فشرده شوند. توجه کنید که عمداً هیچ ساختار تراز در چاپ وجود ندارد زیرا حتی پیچ خوردگی جزئی باعث جلوگیری از مونتاژ آنها می شود.

مرحله 5: قسمت داخلی را جمع آوری کنید

دو قسمت داخلی را بردارید و آنها را پشت سر هم تراز کنید تا محور نقطه ای در سمت چپ "1" با محور نقطه ای روی "0" همسو شود. در صورت تمایل می توانید آنها را به طور موقت با نوار دو طرفه نگه دارید ، اما نکته اصلی این است که برای جوش دادن آنها از آهن لحیم کاری داغ استفاده کنید.

جوشكاري در جايي كه لبه ها به هم مي رسند كافي است. این کار را ابتدا با جوشکاری با استفاده از آهن لحیم کاری انجام دهید تا PLA را با هم در لبه بین دو قطعه در چندین نقطه بکشید. پس از چسباندن قطعات به یکدیگر ، لحیم کاری را در سراسر درز اجرا کنید تا یک جوش دائمی ایجاد شود. دو قطعه باید قسمتی را نشان دهند که در تصویر بالا نشان داده شده است.

شما می توانید تناسب این قسمت جوش داده شده را با قرار دادن آن در قسمت بیرونی عقب بررسی کنید. شما باید کمی آن را کج کنید تا محور نقطه ای به طرفی که حفره سروو ندارد برسد ، اما یک بار داخل آن ، باید آزادانه بچرخد.

مرحله 6: سرو را جهت دهی کرده و شاخ را تنظیم کنید

برای اینکه این امر کار کند ، ما باید یک ارتباط مستقیم شناخته شده بین کنترل سروو و موقعیت چرخشی سروو داشته باشیم. هر سروو دارای حداقل و حداکثر عرض پالس است که به آن پاسخ می دهد. شما باید آنها را به صورت تجربی برای سروهای خود کشف کنید ، زیرا ما روی حرکت کامل 180 درجه حساب می کنیم و تولید کنندگان مختلف SG90 را با مقادیر کمی متفاوت تولید می کنند (در واقع ، اندازه آنها نیز کمی متفاوت است ، اما باید به اندازه کافی نزدیک باشند) متناسب با فضای مجاز) بیایید کوتاهترین عرض پالس را "0" و طولانی ترین آن را "1" بنامیم.

یکی از شاخ های سروو را بردارید و بالها را با استفاده از برش سیم یا هر ابزار مناسب دیگر برش دهید - همانطور که در عکس بالا دیده می شود. نحوه چرخش چرخ دنده بسیار خوب روی سروو بسیار دشوار است ، بنابراین ما به جای آن از مرکز یکی از شاخ های سروو برای این کار استفاده می کنیم. شاخ سرو بریده شده را روی یکی از سروها قرار دهید. حالا سروو را وصل کنید ، آن را در موقعیت "1" خود قرار دهید و آن را در آن موقعیت رها کنید.

احتمالاً متوجه شده اید که محور غیر نقطه ای دارای یک حفره استوانه ای است که تقریباً به اندازه سر چرخ دنده روی سروو است-و تا حدی کوچکتر از قطر مرکز شاخ بریده شده شما است. آهن لحیم کاری داغ را بردارید و آن را به آرامی در داخل سوراخ در محور و همچنین در خارج از مرکز مرکز شاخ بریده بچرخانید. شما همچنین سعی در ذوب کردن ندارید ، بلکه فقط برای نرم شدن آنها تلاش می کنید. در مرحله بعد ، سروو را نگه دارید ، مرکز شاخ را مستقیماً در سوراخ محوری با سروو در موقعیتی که باید "1" باشد فشار دهید - در حالی که قسمت داخلی هنگامی که سروو در موقعیت قبلی قرار دارد "1" را نشان می دهد. استراحت در حفره در قسمت بیرونی عقب.

هنگامی که شاخ بریده شده را به داخل فشار می دهید ، باید PLA را کمی روی خود ببندید و ارتباط بسیار محکمی با شاخ ایجاد کنید. اجازه دهید پیوند کمی سرد شود و سپس سروو را بیرون بکشید. شاخ باید قسمت را به اندازه کافی خوب بچسباند تا سروو بتواند بدون هیچ گونه بازی قابل توجهی قسمت را بچرخاند.

مرحله 7: هر Qubit را مونتاژ کنید

حالا شما آماده ساختن کیوبیت ها هستید. قسمت عقب بیرونی را روی یک سطح صاف (به عنوان مثال ، یک میز) قرار دهید به طوری که حفره سروو رو به بالا باشد و پایه از لبه سطح آویزان شود بنابراین قسمت عقب بیرونی صاف نشسته است. حالا سروو و قسمت داخلی متصل به شاخ را بردارید و آنها را در قسمت بیرونی عقب وارد کنید. کابل را از سروو به داخل کانال برای آن فشار دهید.

هنگامی که همه چیز نشسته است ، قسمت بیرونی جلویی را روی مجموعه قرار دهید. سروو را وصل کرده و در حالی که مونتاژ را کنار هم نگه داشته اید ، کار کنید تا مطمئن شوید هیچ چیز به هم وصل نشده یا به هم نرسیده است. حالا یا از نوار VHB استفاده کنید یا از آهن لحیم کاری برای جوش دادن قسمت جلویی و پشتی به یکدیگر استفاده کنید.

این مراحل را برای هر کیوبیت تکرار کنید.

مرحله 8: نصب

پایه کوچکی از هر کیوبیت دارای برشی در پشت است که به شما امکان می دهد کابل سروو را از پشت خارج کرده و به کنترلر خود متصل شوید و پایه آن به اندازه کافی گسترده است تا هر کیوبیت به تنهایی پایدار باشد ، بنابراین می توانید به سادگی کابلهای فرمت روی هر سروو و آنها را روی یک میز یا سطح مسطح دیگر پخش کنید. با این حال ، این سیمهایی را نشان می دهد که آنها را متصل می کند….

احساس می کنم دیدن سیم ها توهم عمل ترسناک را از راه دور خراب می کند ، بنابراین ترجیح می دهم سیم ها را کاملاً مخفی کنم. برای انجام این کار ، تنها چیزی که نیاز داریم یک پلت فرم نصب با یک سوراخ در زیر هر کیوبیت است که به اندازه کافی بزرگ است تا کانکتور کابل سروو از آن عبور کند. البته ، ما دوست داریم هر کیوبیت همان جایی که قرار دارد بماند ، بنابراین سه سوراخ 1/4-20 سوراخ دار در پایه وجود دارد. قصد استفاده از وسط است ، اما از بقیه می توان برای ایمن سازی بیشتر موارد استفاده کرد یا در صورت سفت شدن بیش از حد نخ مرکزی از بین رفت. بنابراین ، یکی برای هر کیوبیت دو سوراخ نزدیک به هم در پایه ایجاد می کند: یکی برای عبور یک پیچ 1/4-20 پیچ ، دیگری برای عبور از اتصال دهنده کابل سروو.

از آنجا که چوب 3/4 اینچی رایج ترین است ، احتمالاً می خواهید از آن برای بالای پایه استفاده کنید-همانطور که من انجام دادم. در این صورت ، شما به پیچ یا پیچ 1/4-20 تقریبا 1.25 اینچ نیاز دارید. طولانی شما می توانید آنها را در هر فروشگاه سخت افزار با هزینه حدود 1 دلار برای شش خریداری کنید. از طرف دیگر ، می توانید آنها را به صورت سه بعدی چاپ کنید … اما توصیه می کنم اگر آنها را چاپ می کنید ، آنها را یک به یک چاپ کنید ، زیرا این امر نقص های پیچ پیچ را به حداقل می رساند.

بدیهی است که ابعاد پایه مهم نیست ، اما طول کابل های مورد نیاز را تعیین می کند. KREQC در ابتدا به عنوان دو ردیف از سه کیوبیت انجام شد تا پایه در یک چمدان دستی قرار گیرد ، به این ترتیب ما آن را به نمایشگاه تحقیقاتی IEEE/ACM SC18 خود آوردیم.

مرحله 9: نام تجاری آن را تعیین کنید

به عنوان آخرین مرحله ، برچسب زدن به کامپیوتر کوانتومی خود را فراموش نکنید!

ما یک پلاک نامی به رنگ مشکی روی طلا به صورت سه بعدی چاپ کردیم و سپس روی جلوی چوبی پایه ثابت شد. با خیال راحت برچسب خود را با روشهای دیگر ، مانند چاپ دو بعدی تصویر پیوست پیوست PDF با چاپگر لیزری یا جوهر افشان ، برچسب گذاری کنید. همچنین برچسب گذاری هر کیوبیت با موقعیت آن ضرری نخواهد داشت ، به خصوص اگر در مورد نحوه ترتیب دادن کیوبیت ها بر اساس پایه خلاقیت زیادی به خرج دهید.

همچنین ممکن است از تقسیم کلیدهای کلیدی کیوبیت چاپ سه بعدی لذت ببرید. آنها نه درگیر هستند و نه موتور دارند ، اما هنگامی که به آنها ضربه می زنید آزادانه می چرخند و یک تظاهرات KREQC را برای خانه یادآوری می کنید.