KREQC: Computador quântico emulado rotacionalmente de Kentucky: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Nós o chamamos de "riacho" - escrito KREQC: Computador Quântico Emulado Rotacional de Kentucky. Sim, este instrutível mostrará como fazer seu próprio computador quântico funcional que opere de forma confiável em temperatura ambiente com um tempo de ciclo mínimo de cerca de 1/2 segundo. O custo total de construção é de $ 50- $ 100.

Ao contrário do computador quântico IBM Q mostrado na segunda foto, KREQC não está usando diretamente os fenômenos da física quântica para implementar seus qubits totalmente emaranhados. Bem, suponho que poderíamos argumentar que tudo usa física quântica, mas na verdade são apenas servos controlados convencionalmente que implementam a "ação fantasmagórica à distância" de Einstein em KREQC. Por outro lado, esses servos permitem que o KREQC emule o comportamento muito bem, tornando a operação fácil de ver e explicar. Falando em explicações….

Etapa 1: O que é um computador quântico?

Antes de dar nossa explicação, aqui está um link para uma boa explicação da documentação do IBM Q Experience. Agora vamos tentar …

Sem dúvida, você já ouviu mais do que um pouco (trocadilho intencional) sobre como os qubits conferem habilidades computacionais mágicas aos computadores quânticos. A ideia básica é que, embora um bit comum possa ser 0 ou 1, um qubit pode ser 0, 1 ou indeterminado. Por si só, isso não parece particularmente útil - e com apenas um qubit não é - mas vários qubits emaranhados têm a propriedade bastante útil de que seus valores indeterminados podem cobrir simultaneamente todas as combinações possíveis de valores de bits. Por exemplo, 6 bits podem ter qualquer valor de 0 a 63 (ou seja, 2 ^ 6), enquanto 6 qubits podem ter um valor indeterminado que é todos os valores de 0 a 63 com uma probabilidade potencialmente diferente associada a cada valor possível. Quando o valor de um qubit é lido, os valores dele e de todos os qubits emaranhados com ele tornam-se determinados, com o único valor lido para cada qubit sendo selecionado aleatoriamente de acordo com as probabilidades; se o valor indeterminado for 75% 42 e 25% 0, então aproximadamente 3 de cada quatro vezes que o cálculo quântico é realizado, o resultado será 42 e nas outras vezes será 0. O ponto principal é que o cálculo quântico avalia todos os valores possíveis e retorna uma (de potencialmente múltiplas) respostas válidas, tentando exponencialmente muitos valores simultaneamente - e essa é a parte emocionante. Seriam necessários 64 sistemas de 6 bits para fazer o que um sistema de 6 qubit pode fazer.

Cada um dos 6 qubits totalmente emaranhados de KREQC pode ter um valor de rotação que é 0, 1 ou indeterminado. O valor indeterminado equiprovável é representado por todos os qubits estando na posição horizontal. À medida que um cálculo quântico prossegue, as probabilidades de diferentes valores mudam - representadas em KREQC pelos qubits individuais oscilando e assumindo posições estatísticas que refletem as probabilidades dos valores. Eventualmente, o cálculo quântico é encerrado medindo os qubits emaranhados, o que reduz o valor indeterminado em uma sequência totalmente determinada de 0s e 1s. No vídeo acima, você vê KREQC computando a "resposta à questão fundamental da vida, do universo e de tudo" - em outras palavras, 42 … que em binário é 101010, com 101 na última linha de qubits e 010 em a frente.

Claro, existem alguns problemas com computadores quânticos, e KREQC os sofre também. Um óbvio é que realmente queremos milhões de qubits, não apenas 6. No entanto, também é importante notar que os computadores quânticos apenas implementam a lógica combinatória - ao contrário do que nós, engenheiros da computação, chamamos de máquina de estado. Basicamente, isso significa que uma máquina quântica por si só é menos capaz do que uma máquina de Turing ou um computador convencional. No caso do KREQC, implementamos máquinas de estado controlando KREQC usando um computador convencional para realizar uma sequência de cálculos quânticos, um por visita de estado na execução da máquina de estado.

Então, vamos construir um computador quântico à temperatura ambiente!

Etapa 2: Ferramentas, peças e materiais

Não há muito no KREQC, mas você precisará de algumas peças e ferramentas. Vamos começar com as ferramentas:

• Acesso a uma impressora 3D para consumidor. Seria possível fazer qubits KREQC usando uma fresadora CNC e madeira, mas é muito mais fácil e mais limpo fazê-los extrudando plástico PLA. A maior parte impressa em 3D é 180x195x34mm, então as coisas são muito mais fáceis se a impressora tiver um volume de impressão grande o suficiente para imprimir tudo em uma única peça.
• Um ferro de solda. Para ser usado para soldar peças de PLA.
• Cortadores de fio ou qualquer outra coisa que possa cortar pequenas peças de plástico com 1 mm de espessura (as pontas do servo).
• Opcionalmente, ferramentas de marcenaria para fazer uma base de madeira para montar os qubits. Uma base não é estritamente necessária porque cada bit tem um suporte embutido que permitiria que um cabo de controle passasse pela parte traseira.

Você não precisa de muitas peças nem materiais:

• PLA para fazer os qubits. Se impresso com 100% de preenchimento, ainda seria menos de 700 gramas de PLA por qubit; em um preenchimento mais razoável de 25%, 300 gramas seria uma estimativa melhor. Assim, 6 qubits poderiam ser feitos usando apenas um carretel de 2 kg, a um custo de material de cerca de $ 15.
• Um micro servo SG90 por qubit. Estes estão disponíveis por menos de $ 2 cada. Certifique-se de obter micro servos que especificam a operação de posicionamento de 180 graus - você não quer os de 90 graus nem os projetados para rotação contínua em velocidade variável.
• Uma placa de servo controlador. Existem muitas opções, incluindo o uso de um Arduino, mas uma escolha muito fácil é o servo controlador USB de 6 canais Pololu Micro Maestro, que custa menos de $ 20. Existem outras versões que podem lidar com 12, 18 ou 24 canais.
• Cabos de extensão para o SG90s conforme necessário. Os cabos nos SG90s variam um pouco em comprimento, mas você precisará que os qubits sejam separados por um mínimo de cerca de 6 polegadas, portanto, cabos de extensão serão necessários. Estes custam facilmente menos de $ 0,50 cada, dependendo do comprimento.
• Uma fonte de alimentação de 5 V para Pololu e SG90s. Normalmente, o Pololu é alimentado via conexão USB para um laptop, mas pode ser sensato ter uma fonte de alimentação separada para os servos. Usei uma verruga de parede 5V 2,5A que tinha por perto, mas novas 3A podem ser compradas por menos de $ 5.
• Opcionalmente, fita dupla-face para manter as coisas juntas. A fita VHB (Very-High Bond) funciona bem para manter a casca externa de cada qubit, embora a soldagem funcione ainda melhor se você nunca precisar desmontá-la.
• Opcionalmente, materiais de madeira e acabamento para confecção da base. O nosso foi feito com restos de loja e é mantido unido por juntas de biscoito, com várias camadas de poliuretano transparente como o acabamento final.

Ao todo, o KREQC de 6 qubit que construímos custou cerca de US $ 50 em suprimentos.

Etapa 3: peças impressas em 3D: a parte interna

Todos os designs de peças impressas em 3D estão disponíveis gratuitamente como Thing 3225678 na Thingiverse. Vá pegar sua cópia agora… vamos esperar….

Ah, de volta tão cedo? OK. O "bit" real no qubit é uma peça simples que é impressa em duas peças porque é mais fácil lidar com a soldagem de duas peças do que usar suportes para imprimir letras em relevo em ambos os lados de uma peça.

Recomendo imprimir em uma cor que contraste com a parte externa do qubit - preto, por exemplo. Em nossa versão, imprimimos o 0,5 mm superior em branco para dar contraste, mas isso exigiu a troca do filamento. Se você preferir não fazer isso, você sempre pode pintar as superfícies em relevo do "1" e do "0". Ambas as peças são impressas sem vãos e, portanto, sem suportes. Usamos 25% de preenchimento e 0,25 mm de altura de extrusão.

Etapa 4: peças impressas em 3D: a parte externa

A parte externa de cada qubit é um pouco mais complicada. Primeiro, essas peças são grandes e planas, portanto, sujeitas a muito levantamento de sua mesa de impressão. Eu normalmente imprimo em vidro quente, mas isso exigia a impressão extra em fita adesiva azul quente para evitar empenamento. Novamente, 25% de preenchimento e 0,25 mm de altura da camada devem ser mais do que suficientes.

Essas partes também têm vãos. A cavidade que segura o servo possui vãos em ambos os lados e é fundamental que as dimensões desta cavidade estejam corretas - por isso ela precisa imprimir com suporte. O canal de roteamento do cabo está apenas no lado posterior mais grosso e é construído para evitar quaisquer spans, exceto por um pequeno bit na própria base. O interior da base em ambas as peças tecnicamente tem um vão não suportado para a curva interna da base, mas não importa se essa parte da estampa ceder um pouco, então você não precisa de apoio aí.

Novamente, uma escolha de cor que contraste com as partes internas tornará o "Q" dos qubits mais visível. Embora tenhamos impresso a frente com as partes "AGGREGATE. ORG" e "UKY. EDU" em PLA branco no fundo PLA azul, você pode achar o visual de baixo contraste de tê-los na cor do corpo mais atraente. Agradecemos por você deixá-los lá para lembrar aos espectadores de onde veio o design, mas não há necessidade de gritar visualmente esses URLs.

Uma vez que essas peças foram impressas, remova qualquer material de suporte e certifique-se de que o servo se encaixa nas duas peças mantidas juntas. Se não couber, continue escolhendo o material de suporte. É um ajuste bem apertado, mas deve permitir que ambas as metades sejam colocadas juntas. Observe que deliberadamente não há estruturas de alinhamento na impressão, porque mesmo um leve empenamento faria com que elas impedissem a montagem.

Etapa 5: montar a parte interna

Pegue as duas partes internas e alinhe-as uma atrás da outra de modo que o pivô pontudo à esquerda do "1" se alinhe com o pivô pontudo no "0". Você pode mantê-los juntos temporariamente com fita dupla-face, se desejar, mas o segredo é usar um ferro de solda quente para soldá-los.

É suficiente soldar onde as bordas se juntam. Faça isso primeiro soldando por pontos, usando o ferro de solda para arrastar o PLA ao longo da borda entre as duas peças em vários pontos. Depois que as peças forem unidas, passe o ferro de solda ao redor da costura para criar uma solda permanente. As duas peças devem fazer a parte mostrada na imagem acima.

Você pode verificar o ajuste desta peça soldada inserindo-a na parte externa traseira. Você precisará incliná-lo ligeiramente para colocar o pivô pontudo no lado que não tem a cavidade do servo, mas uma vez dentro, ele deve girar livremente.

Etapa 6: oriente o servo e ajuste a buzina

Para que isso funcione, precisamos ter uma correspondência direta conhecida entre o controle do servo e a posição rotacional do servo. Cada servo tem uma largura de pulso mínima e máxima à qual responderá. Você precisará descobri-los empiricamente para seus servos, porque contamos com o movimento de 180 graus completo e diferentes fabricantes produzem SG90s com valores ligeiramente diferentes (na verdade, eles também têm tamanhos ligeiramente diferentes, mas devem ser próximos o suficiente para caber no espaço permitido). Vamos chamar a largura de pulso mais curta de "0" e a mais longa de "1".

Pegue um dos chifres que veio com seu servo e corte as asas usando um alicate ou qualquer outra ferramenta apropriada - como pode ser visto na foto acima. O passo muito fino da engrenagem no servo é muito difícil de imprimir em 3D, então, em vez disso, usaremos o centro de uma das pontas do servo para isso. Coloque o chifre do servo aparado em um dos servos. Agora conecte o servo, coloque-o na posição "1" e deixe-o nessa posição.

Você provavelmente notou que o pivô não pontiagudo tem uma cavidade cilíndrica que é mais ou menos do tamanho da cabeça da engrenagem em seu servo - e um pouco menor que o diâmetro do centro aparado da buzina. Pegue o ferro de solda quente e gire-o suavemente dentro do orifício no pivô e também ao redor do centro do chifre aparado; você também não está tentando derreter, mas apenas amolecê-los. Em seguida, segurando o servo, empurre o centro do chifre direto para o orifício no pivô com o servo no que deveria ser a posição "1" - com a parte interna mostrando o "1" quando o servo está posicionado como estaria quando descansando na cavidade na parte traseira externa.

Você deverá ver o PLA dobrar-se um pouco sobre si mesmo ao empurrar a buzina aparada, criando uma conexão muito firme com a buzina. Deixe a ligação esfriar um pouco e retire o servo. O chifre deve agora unir a parte bem o suficiente para que o servo possa girar livremente a parte sem jogo significativo.

Etapa 7: Monte Cada Qubit

Agora você está pronto para construir os qubits. Coloque a parte traseira externa em uma superfície plana (por exemplo, uma mesa) de modo que a cavidade do servo fique voltada para cima e o suporte fique pendurado sobre a borda da superfície para que a parte traseira externa fique plana. Agora pegue o servo e a parte interna presa pelo chifre e insira-os na parte externa traseira. Pressione o cabo do servo no canal para ele.

Quando tudo estiver nivelado, coloque a parte externa frontal sobre o conjunto. Conecte o servo e opere-o enquanto segura o conjunto para ter certeza de que nada emperra ou está desalinhado. Agora, use fita VHB ou um ferro de solda para soldar a parte externa da frente e de trás.

Repita essas etapas para cada qubit.

Etapa 8: Montagem

A pequena base de cada qubit tem um corte na parte traseira que permitiria a você passar o cabo servo por trás para conectar ao seu controlador, e a base é larga o suficiente para que cada qubit seja estável por si mesmo, então você pode simplesmente colocar cabos de extensão em cada servo e execute-os espalhados por uma mesa ou outra superfície plana. No entanto, isso mostrará os fios que os conectam….

Acho que ver fios estraga a ilusão de uma ação assustadora à distância, então prefiro esconder os fios completamente. Para fazer isso, tudo o que precisamos é de uma plataforma de montagem com um orifício sob cada qubit que seja grande o suficiente para a passagem do conector do cabo servo. Obviamente, gostaríamos que cada qubit ficasse onde está colocado, portanto, há três orifícios roscados de 1 / 4-20 na base. A intenção é usar o do centro, mas os outros podem ser usados para tornar as coisas mais seguras ou se a linha central for arrancada por aperto excessivo. Assim, um perfura dois orifícios próximos espaçados na base para cada qubit: um para passar uma rosca de parafuso 1 / 4-20, o outro para passar o conector do cabo servo.

Como a madeira de 3/4 "é a mais comum, você provavelmente vai querer usá-la na parte superior da base - como eu fiz. Nesse caso, você precisará de um parafuso de 1 / 4-20 ou parafuso de aproximadamente 1,25" grande. Você pode comprá-los em qualquer loja de ferragens a um custo de cerca de US $ 1 por seis. Como alternativa, você pode imprimi-los em 3D … mas eu recomendo imprimi-los um de cada vez se você os imprimir, porque isso minimiza os defeitos na rosca fina.

Obviamente, as dimensões da montagem não são críticas, mas elas determinarão os comprimentos dos cabos de extensão de que você precisará. KREQC foi feito como duas fileiras de três qubits principalmente para que a montagem cabesse em uma mala de mão, que é como a trouxemos para nossa exposição de pesquisa IEEE / ACM SC18.

Etapa 9: crie uma marca

Como etapa final, não se esqueça de rotular seu computador quântico!

Imprimimos em 3D uma placa de identificação em preto sobre ouro, que foi fixada na parte frontal de madeira da base. Sinta-se à vontade para etiquetar o seu por outros meios, como impressão 2D da imagem da placa de identificação do PDF anexada com uma impressora a laser ou jato de tinta. Também não faria mal nenhum rotular cada qubit com sua posição, especialmente se você for muito criativo sobre como organizar os qubits na base.

Você também pode gostar de distribuir chaveiros qubit impressos em 3D; eles não são emaranhados nem são motorizados, mas giram livremente quando você sopra sobre eles e são um ótimo lembrete para levar para casa uma demonstração KREQC.