KREQC: الكمبيوتر الكمي المحاكي دورانيًا في كنتاكي: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

نسميها "الخور" - تهجئتها KREQC: حاسوب الكم المحاكي الدوراني في Kentucky. نعم ، سيوضح لك هذا الدليل كيفية صنع الكمبيوتر الكمي العامل الخاص بك والذي يعمل بشكل موثوق في درجة حرارة الغرفة بأقل وقت للدورة يبلغ حوالي 1/2 ثانية. تكلفة البناء الإجمالية هي 50 دولارًا - 100 دولار.

على عكس الكمبيوتر الكمومي IBM Q الموضح في الصورة الثانية ، لا يستخدم KREQC ظواهر فيزياء الكم بشكل مباشر لتنفيذ الكيوبتات المتشابكة بالكامل. حسنًا ، أفترض أننا يمكن أن نجادل في أن كل شيء يستخدم فيزياء الكم ، لكنها في الحقيقة مجرد مؤازرات يتم التحكم فيها تقليديًا هي التي تنفذ "عمل أينشتاين المخيف عن بعد" في KREQC. من ناحية أخرى ، تسمح هذه الماكينات لـ KREQC بمحاكاة السلوك جيدًا ، مما يجعل العملية سهلة الرؤية والشرح. الحديث عن تفسيرات….

الخطوة 1: ما هو الكمبيوتر الكمومي؟

قبل تقديم شرحنا ، إليك رابط لشرح جميل من وثائق IBM Q Experience. الآن سنلتقط صورتنا….

لا شك أنك سمعت أكثر من قليل (يقصد التورية) عن كيفية منح الكيوبت قدرات حسابية سحرية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الفكرة الأساسية هي أنه في حين أن البتة العادية يمكن أن تكون إما 0 أو 1 ، فإن الكيوبت يمكن أن يكون 0 أو 1 أو غير محدد. في حد ذاته ، لا يبدو هذا مفيدًا بشكل خاص - ومع وجود كيوبت واحد فقط ، فهو ليس كذلك - لكن الكيوبتات المتعددة المتشابكة لها خاصية مفيدة إلى حد ما حيث يمكن لقيمها غير المحددة أن تغطي في وقت واحد جميع التركيبات الممكنة لقيم البت. على سبيل المثال ، يمكن أن تحتوي 6 بتات على أي قيمة واحدة من 0 إلى 63 (أي 2 ^ 6) ، بينما يمكن أن تحتوي 6 بتات على قيمة غير محددة وهي جميع القيم من 0 إلى 63 مع احتمال مختلف محتمل مرتبط بكل قيمة ممكنة. عند قراءة قيمة كيوبت ، يتم تحديد قيمها وجميع الكيوبتات المتشابكة معها ، مع اختيار القيمة الفردية لكل كيوبت عشوائيًا وفقًا للاحتمالات ؛ إذا كانت القيمة غير المحددة 75٪ 42 و 25٪ 0 ، فسيتم إجراء 3 من كل أربعة أضعاف الحساب الكمي ، ستكون النتيجة 42 والأوقات الأخرى ستكون 0. النقطة الأساسية هي أن الحساب الكمي يقيّم كل القيم الممكنة وإرجاع إجابات صحيحة واحدة (من المحتمل أن تكون متعددة) ، محاولة أضعافًا مضاعفة للعديد من القيم في وقت واحد - وهذا هو الجزء المثير. سيستغرق الأمر 64 نظامًا 6 بت للقيام بما يمكن أن يفعله نظام 6 كيوبت.

يمكن أن يكون لكل من الكيوبتات الستة المتشابكة بالكامل الخاصة بـ KREQC قيمة دورانية تساوي 0 أو 1 أو غير محددة. يتم تمثيل القيمة غير المحددة القابلة للتكيف من خلال جميع الكيوبتات الموجودة في الوضع الأفقي. مع استمرار عملية الحساب الكمي ، تتغير احتمالات القيم المختلفة - ممثلة في KREQC بواسطة الكيوبتات الفردية المتذبذبة وافتراض المواقف الإحصائية التي تعكس احتمالات القيم. في النهاية ، يتم إنهاء الحساب الكمي عن طريق قياس الكيوبتات المتشابكة ، مما يؤدي إلى انهيار القيمة غير المحددة في تسلسل محدد بالكامل من 0 و 1. في الفيديو أعلاه ، ترى KREQC يحسب "الإجابة على السؤال المطلق للحياة ، والكون ، وكل شيء" - بعبارة أخرى ، 42 … والتي في النظام الثنائي هي 101010 ، مع 101 في الصف الخلفي للكيوبتات و 010 في المقدمة.

بالطبع ، هناك بعض المشاكل في أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، ويعاني منها KREQC أيضًا. أحد الأسباب الواضحة هو أننا نريد حقًا الملايين من الكيوبتات ، وليس فقط 6. ومع ذلك ، من المهم أيضًا ملاحظة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تنفذ فقط المنطق التجميعي - على عكس ما نطلق عليه نحن مهندسو الكمبيوتر آلة الحالة. يعني هذا في الأساس أن الآلة الكمومية في حد ذاتها أقل قدرة من آلة تورينج أو الكمبيوتر التقليدي. في حالة KREQC ، نقوم بتنفيذ آلات الحالة من خلال التحكم في KREQC باستخدام جهاز كمبيوتر تقليدي لإجراء سلسلة من الحسابات الكمومية ، واحدة لكل زيارة في حالة تنفيذ آلة الحالة.

لذا ، دعنا نبدأ ببناء كمبيوتر كمي بدرجة حرارة الغرفة!

الخطوة 2: الأدوات والأجزاء والمواد

ليس هناك الكثير من KREQC ، لكنك ستحتاج إلى بعض الأجزاء والأدوات. لنبدأ بالأدوات:

• الوصول إلى طابعة ثلاثية الأبعاد من فئة المستهلك. سيكون من الممكن صنع كيوبتات KREQC باستخدام آلة طحن CNC وخشب ، ولكن من الأسهل والأكثر إتقانًا صنعها عن طريق بثق بلاستيك PLA. أكبر جزء مطبوع بطباعة ثلاثية الأبعاد هو 180x195x34mm ، لذلك تكون الأمور أسهل إذا كانت الطابعة تحتوي على حجم طباعة كبير بما يكفي لطباعة ذلك في قطعة واحدة.
• لحام الحديد. لاستخدامها في لحام أجزاء PLA.
• قواطع الأسلاك أو أي شيء آخر يمكنه قطع أجزاء بلاستيكية صغيرة بسمك 1 مم (أبواق المؤازرة).
• اختياريًا ، أدوات النجارة لصنع قاعدة خشبية لتركيب الكيوبتات. ليست هناك حاجة ماسة للقاعدة لأن كل بت بها حامل مدمج يسمح لكابل التحكم بتوجيه الجزء الخلفي.

لا تحتاج إلى العديد من الأجزاء أو المواد أيضًا:

• جيش التحرير الشعبى الصينى لصنع الكيوبتات. إذا تمت طباعته بتعبئة 100٪ ، فسيظل أقل من 700 جرام من PLA لكل كيوبت ؛ عند تعبئة أكثر منطقية بنسبة 25 ٪ ، سيكون تقدير 300 جرام أفضل. وبالتالي ، يمكن تصنيع 6 كيوبتات باستخدام بكرة واحدة بسعة 2 كجم بتكلفة مادية تبلغ حوالي 15 دولارًا.
• جهاز واحد مايكرو سيرفو SG90 لكل كيوبت. هذه متاحة بسهولة بأقل من 2 دولار لكل منها. تأكد من الحصول على الماكينات الصغيرة التي تحدد عملية تحديد المواقع بزاوية 180 درجة - فأنت لا تريد أجهزة بزاوية 90 درجة ولا تريد أجهزة مصممة للدوران المستمر بسرعة متغيرة.
• لوحة تحكم مؤازرة. هناك العديد من الخيارات ، بما في ذلك استخدام Arduino ، ولكن الخيار السهل للغاية هو Pololu Micro Maestro 6-Channel USB Servo Controller والذي يكلف أقل من 20 دولارًا. هناك إصدارات أخرى يمكنها التعامل مع 12 أو 18 أو 24 قناة.
• كابلات التمديد لـ SG90s حسب الحاجة. تختلف أطوال الكابلات الموجودة في SG90 إلى حد ما ، لكنك ستحتاج إلى فصل كيوبتات بما لا يقل عن 6 بوصات ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى كبلات التمديد. هذه بسهولة أقل من 0.50 دولار لكل منها ، حسب الطول.
• مزود طاقة بجهد 5 فولت لموديلات Pololu و SG90. عادة ، يتم تشغيل Pololu عبر اتصال USB بجهاز كمبيوتر محمول ، ولكن قد يكون من الحكمة أن يكون لديك مصدر طاقة منفصل لأجهزة الماكينة. لقد استخدمت ثؤلول حائط 5V 2.5A كان لدي حوله ، ولكن يمكن شراء ثؤلول 3A جديد بأقل من 5 دولارات.
• اختياريًا ، شريط على الوجهين لتثبيت الأشياء معًا. يعمل شريط VHB (السندات العالية جدًا) جيدًا لتثبيت الغلاف الخارجي لكل كيوبت معًا ، على الرغم من أن اللحام يعمل بشكل أفضل إذا لم تكن بحاجة إلى تفكيكه.
• اختياريا ، لوازم الخشب والتشطيب لصنع القاعدة. صُنع منتجنا من قصاصات المتاجر ويتم تثبيته معًا بواسطة وصلات البسكويت ، مع عدة طبقات من البولي يوريثين الشفاف كطبقة نهائية نهائية.

أخيرًا ، تكلف KREQC سعة 6 كيوبت التي أنشأناها حوالي 50 دولارًا من الإمدادات.

الخطوة 3: الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد: الجزء الداخلي

جميع تصميمات الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد متاحة مجانًا باسم Thing 3225678 في Thingiverse. اذهب واحصل على نسختك الآن … سننتظر ….

آه ، العودة قريبًا؟ نعم. "البت" الفعلي في الكيوبت هو جزء بسيط يُطبع على قطعتين لأنه من الأسهل التعامل مع لحام قطعتين معًا بدلاً من استخدام الدعامات لطباعة حروف بارزة على جانبي جزء واحد.

أوصي بطباعة هذا بلون يتناقض مع الجزء الخارجي للكيوبت - أسود ، على سبيل المثال. في نسختنا ، قمنا بطباعة الجزء العلوي 0.5 مم باللون الأبيض لإعطاء التباين ، ولكن هذا يتطلب تغيير الفتيل. إذا كنت تفضل عدم القيام بذلك ، فيمكنك دائمًا طلاء الأسطح المرتفعة من "1" و "0". تتم طباعة كلا الجزأين بدون مسافات وبالتالي بدون دعامات. استخدمنا 25٪ تعبئة وارتفاع بثق 0.25 مم.

الخطوة 4: الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد: الجزء الخارجي

الجزء الخارجي من كل كيوبت هو نسخة أكثر تعقيدًا. أولاً ، هذه القطع كبيرة ومسطحة ، وبالتالي فهي عرضة للكثير من الرفع من سرير الطباعة الخاص بك. عادةً ما أطبع على الزجاج الساخن ، لكن هذا يتطلب عصا إضافية للطباعة على شريط الرسام الأزرق الساخن لتجنب الالتواء. مرة أخرى ، يجب أن تكون نسبة التعبئة 25٪ وارتفاع الطبقة 0.25 مم أكثر من كافيين.

تحتوي هذه الأجزاء أيضًا على مسافات. يمتد التجويف الذي يحمل المؤازرة على كلا الجانبين ومن الأهمية بمكان أن تكون أبعاد هذا التجويف صحيحة - لذلك يحتاج إلى الطباعة مع الدعم. توجد قناة توجيه الكبل على الجانب الخلفي السميك فقط ، وهي مصممة لتجنب أي مسافات باستثناء جزء بسيط في القاعدة ذاتها. يحتوي الجزء الداخلي من القاعدة على كلا القطعتين تقنيًا على امتداد غير مدعوم للمنحنى الداخلي للقاعدة ، ولكن لا يهم إذا كان هذا الجزء من الطباعة يتدلى قليلاً ، لذلك لا تحتاج إلى دعم هناك.

مرة أخرى ، فإن اختيار اللون الذي يتناقض مع الأجزاء الداخلية سيجعل "Q" للكيوبتات أكثر وضوحًا. على الرغم من أننا قمنا بطباعة الجزء الأمامي بأجزاء "AGGREGATE. ORG" و "UKY. EDU" باللون الأبيض PLA على خلفية PLA الزرقاء ، فقد تجد مظهر التباين المنخفض المتمثل في جعل لون الجسم أكثر جاذبية. نقدر لك تركهم هناك لتذكير المشاهدين بمصدر التصميم ، ولكن ليست هناك حاجة للصراخ بصريًا عناوين URL هذه.

بمجرد طباعة هذه الأجزاء ، قم بإزالة أي مادة داعمة وتأكد من أن المؤازرة تتناسب مع القطعتين المتماسكتين معًا. إذا لم يكن مناسبًا ، فاستمر في انتقاء مادة الدعم. إنها مناسبة تمامًا ، ولكن يجب أن تسمح بدفع كلا النصفين معًا. لاحظ عدم وجود هياكل محاذاة بشكل متعمد في الطباعة لأن الالتواء الطفيف قد يتسبب في منع التجميع.

الخطوة 5: قم بتجميع الجزء الداخلي

خذ الجزأين الداخليين وقم بمحاذاةهما متتاليين بحيث يصطف المحور المدبب على يسار "1" مع المحور المدبب على "0". يمكنك تثبيتها مؤقتًا بشريط على الوجهين إذا رغبت في ذلك ، ولكن المفتاح هو استخدام مكواة لحام ساخنة لتلحيمها معًا.

يكفي اللحام حيث تلتقي الحواف. قم بذلك عن طريق اللحام النقطي أولاً باستخدام مكواة اللحام لسحب PLA معًا عبر الحافة بين القطعتين في عدة نقاط. بعد أن يتم ربط الأجزاء معًا ، قم بتشغيل مكواة اللحام في جميع أنحاء التماس لإنشاء لحام دائم. يجب أن تشكل القطعتان الجزء الموضح في الصورة أعلاه.

يمكنك التحقق من ملاءمة هذا الجزء الملحوم عن طريق إدخاله في الجزء الخارجي الخلفي. ستحتاج إلى إمالتها قليلاً لإدخال المحور المدبب في الجانب الذي لا يحتوي على تجويف مؤازر ، ولكن بمجرد دخوله ، يجب أن يدور بحرية.

الخطوة 6: قم بتوجيه المؤازرة وضبط القرن

لكي يعمل هذا ، نحتاج إلى وجود مراسلات مباشرة معروفة بين التحكم المؤازر والموضع الدوراني للمضاعفات. كل مؤازرة لها حد أدنى وأقصى لعرض النبضة التي ستستجيب لها. ستحتاج إلى اكتشاف ذلك بشكل تجريبي من أجل الماكينات الخاصة بك ، لأننا نعتمد على الحركة الكاملة بزاوية 180 درجة والمصنعين المختلفين ينتجون SG90s بقيم مختلفة قليلاً (في الواقع ، لديهم أيضًا أحجام مختلفة قليلاً ، لكن يجب أن يكونوا قريبين بدرجة كافية من تناسب المساحة المسموح بها). دعونا نطلق على أقصر عرض نبضة "0" وأطول "1".

خذ أحد الأبواق المرفقة مع المؤازرة الخاصة بك وقم بقص الأجنحة باستخدام قواطع الأسلاك أو أي أداة أخرى مناسبة - كما هو موضح في الصورة أعلاه. من الصعب جدًا طباعة خطوة التروس الدقيقة جدًا على المؤازرة ثلاثية الأبعاد ، لذلك سنستخدم بدلاً من ذلك مركز أحد أبواق المؤازرة لذلك. ضع قرن المؤازرة المشذّب على إحدى الماكينات. الآن قم بتوصيل المؤازرة ، اضبطها على موضعها "1" واتركها في هذا الموضع.

ربما لاحظت أن المحور غير المدبب يحتوي على تجويف أسطواني فيه بحجم رأس التروس في المؤازرة - وأصغر إلى حد ما من قطر مركز البوق المشذب. خذ مكواة اللحام الساخنة وقم بتدويرها برفق داخل الفتحة الموجودة في المحور وأيضًا حول الجزء الخارجي من مركز القرن المشذب ؛ أنت لا تحاول أن تذوب أيضًا ، ولكن فقط لجعلها ناعمة. بعد ذلك ، عقد المؤازرة ، ادفع مركز البوق مباشرة في الفتحة الموجودة في المحور باستخدام المؤازرة في ما يجب أن يكون الموضع "1" - مع إظهار الجزء الداخلي "1" عندما يتم وضع المؤازرة كما هي عندما يستريح في التجويف في الجزء الخلفي الخارجي.

يجب أن ترى PLA مطويًا على نفسه قليلاً أثناء دفع القرن المشذب للداخل ، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال قوي جدًا بالبوق. دع الرابطة تبرد قليلاً ثم اسحب المؤازرة. يجب أن يربط القرن الآن الجزء جيدًا بما يكفي بحيث يمكن للمؤازرة أن تدور الجزء بحرية دون أي لعب مهم.

الخطوة 7: قم بتجميع كل Qubit

أنت الآن جاهز لبناء الكيوبتات. ضع الجزء الخلفي الخارجي على سطح مستو (على سبيل المثال ، طاولة) بحيث يكون تجويف المؤازرة متجهًا لأعلى ويكون الحامل معلقًا على حافة السطح بحيث يكون الجزء الخلفي الخارجي مسطحًا. الآن خذ المؤازرة والجزء الداخلي المرفقين بالقرن وأدخلهما في الجزء الخارجي الخلفي. اضغط على الكابل من المؤازرة إلى القناة من أجله.

بمجرد أن يتدفق كل ذلك ، ضع الجزء الخارجي الأمامي فوق التجميع. قم بتوصيل المؤازرة وتشغيلها أثناء تثبيت المجموعة معًا للتأكد من عدم وجود أي ارتباط أو عدم محاذاة. الآن إما استخدام شريط VHB أو استخدام مكواة لحام لحام الجزء الأمامي والخلفي معًا.

كرر هذه الخطوات لكل كيوبت.

الخطوة 8: التركيب

تحتوي القاعدة الصغيرة لكل كيوبت على قطع في الخلف يسمح لك بتشغيل كبل المؤازرة من الخلف للاتصال بوحدة التحكم الخاصة بك ، والقاعدة عريضة بما يكفي لكي يكون كل كيوبت مستقرًا بمفرده ، لذلك يمكنك ببساطة وضعه كبلات التمديد على كل أجهزة وتشغيلها منتشرة عبر طاولة أو سطح مستو آخر. ومع ذلك ، سيظهر ذلك الأسلاك التي تربطهم….

أشعر أن رؤية الأسلاك تدمر وهم العمل المخيف عن بعد ، لذلك أفضل إخفاء الأسلاك تمامًا. للقيام بذلك ، كل ما نحتاجه هو منصة تثبيت بها فتحة أسفل كل كيوبت والتي تكون كبيرة بما يكفي لتمرير موصل كبل المؤازرة من خلالها. بالطبع ، نود أن يبقى كل كيوبت في مكانه ، لذلك توجد ثلاثة ثقوب مسننة 1/4-20 في القاعدة. القصد من ذلك هو استخدام المركز ، ولكن يمكن استخدام الآخرين لجعل الأشياء أكثر أمانًا أو إذا تم تجريد الخيط المركزي عن طريق الشد الزائد. وهكذا ، يقوم أحدهم بحفر فتحتين متقاربتين في القاعدة لكل كيوبت: أحدهما لتمرير خيط لولبي 1 / 4-20 ، والآخر لتمرير موصل كبل المؤازرة.

نظرًا لأن 3/4 "الخشب هو الأكثر شيوعًا ، فربما تريد استخدامه في الجزء العلوي من القاعدة - كما فعلت. في هذه الحالة ، ستحتاج إلى برغي 1 / 4-20 أو مسمار برغي 1.25 تقريبًا" طويل. يمكنك شرائها من أي متجر لاجهزة الكمبيوتر بتكلفة حوالي دولار واحد لستة دولارات. بدلاً من ذلك ، يمكنك طباعتها ثلاثية الأبعاد … لكني أوصي بطباعتها واحدة تلو الأخرى إذا قمت بطباعتها لأن ذلك يقلل من العيوب في الخيط اللولبي الدقيق.

من الواضح أن أبعاد الحامل ليست مهمة ، لكنها ستحدد أطوال كبلات التمديد التي ستحتاج إليها. تم إجراء KREQC كصفين من ثلاثة كيوبتات بشكل أساسي بحيث يتناسب الحامل في حقيبة محمولة ، وهذا ما قدمناه إلى معرضنا البحثي IEEE / ACM SC18.

الخطوة 9: علامتها التجارية

كخطوة أخيرة ، لا تنس تسمية جهاز الكمبيوتر الكمي الخاص بك!

قمنا بطباعة لوحة اسم ثلاثية الأبعاد باللون الأسود على الذهب ، ثم تم تثبيتها في الجزء الأمامي الخشبي للقاعدة. لا تتردد في تسمية صورتك بوسائل أخرى ، مثل الطباعة ثنائية الأبعاد لصورة لوحة اسم PDF المرفقة باستخدام طابعة ليزر أو طابعة نافثة للحبر. لن يضر أيضًا تسمية كل كيوبت بموضعه ، خاصة إذا كنت مبدعًا جدًا في كيفية ترتيب الكيوبتات على القاعدة.

قد تستمتع أيضًا بتوزيع سلاسل مفاتيح qubit المطبوعة ثلاثية الأبعاد ؛ إنهم ليسوا متشابكين ولا يتم تشغيلهم بمحركات ، لكنهم يدورون بحرية عندما تنفخ عليهم وتذكر تذكيرًا رائعًا بأخذها إلى المنزل بمظاهرة KREQC.