KREQC: Computadora cuántica con emulación rotacional de Kentucky: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Lo llamamos "arroyo", deletreado KREQC: Computadora cuántica de emulación rotacional de Kentucky. Sí, este instructivo le mostrará cómo hacer su propia computadora cuántica que funcione de manera confiable a temperatura ambiente con un tiempo de ciclo mínimo de aproximadamente 1/2 segundo. El costo total de construcción es de $ 50 a $ 100.

A diferencia de la computadora cuántica IBM Q que se muestra en la segunda foto, KREQC no está utilizando directamente los fenómenos de la física cuántica para implementar sus qubits completamente entrelazados. Bueno, supongo que podríamos argumentar que todo usa la física cuántica, pero en realidad son solo los servos controlados convencionalmente los que implementan la "acción espeluznante a distancia" de Einstein en KREQC. Por otro lado, esos servos permiten que KREQC emule el comportamiento bastante bien, haciendo que la operación sea fácil de ver y explicar. Hablando de explicaciones….

Paso 1: ¿Qué es una computadora cuántica?

Antes de dar nuestra explicación, aquí hay un enlace a una buena explicación de la documentación de IBM Q Experience. Ahora haremos nuestro tiro….

Sin duda, has escuchado más de un poco (juego de palabras) sobre cómo los qubits otorgan habilidades computacionales mágicas en computadoras cuánticas. La idea básica es que mientras que un bit ordinario puede ser 0 o 1, un qubit puede ser 0, 1 o indeterminado. Por sí solo, eso no parece particularmente útil, y con solo un qubit no lo es, pero varios qubits entrelazados tienen la propiedad bastante útil de que sus valores indeterminados pueden cubrir simultáneamente todas las combinaciones posibles de valores de bits. Por ejemplo, 6 bits pueden tener cualquier valor de 0 a 63 (es decir, 2 ^ 6), mientras que 6 qubits pueden tener un valor indeterminado que son todos los valores de 0 a 63 con una probabilidad potencialmente diferente asociada con cada valor posible. Cuando se lee el valor de un qubit, se determinan sus valores y todos los qubits enredados con él, seleccionándose aleatoriamente el valor único leído para cada qubit de acuerdo con las probabilidades; si el valor indeterminado es 75% 42 y 25% 0, entonces aproximadamente 3 de cada cuatro veces que se realiza el cálculo cuántico, el resultado será 42 y las otras veces será 0. El punto clave es que el cálculo cuántico evalúa todos los valores posibles y devuelve una (de potencialmente múltiples) respuestas válidas, probando exponencialmente muchos valores simultáneamente, y esa es la parte emocionante. Se necesitarían 64 sistemas de 6 bits para hacer lo que puede hacer un sistema de 6 qubit.

Cada uno de los 6 qubits completamente entrelazados de KREQC puede tener un valor de rotación de 0, 1 o indeterminado. El valor indeterminado equiprobable está representado por todos los qubits en posición horizontal. A medida que avanza un cálculo cuántico, las probabilidades de diferentes valores cambian, representadas en KREQC por los qubits individuales que se tambalean y asumen posiciones estadísticas que reflejan las probabilidades de los valores. Finalmente, el cálculo cuántico se termina midiendo los qubits entrelazados, lo que colapsa el valor indeterminado en una secuencia completamente determinada de 0 y 1. En el video de arriba, puedes ver a KREQC calculando la "respuesta a la pregunta fundamental de la vida, el universo y todo", en otras palabras, 42 … que en binario es 101010, con 101 en la última fila de qubits y 010 en El frente.

Por supuesto, hay algunos problemas con las computadoras cuánticas, y KREQC también los sufre. Una obvia es que realmente queremos millones de qubits, no solo 6. Sin embargo, también es importante tener en cuenta que las computadoras cuánticas solo implementan lógica combinatoria, a diferencia de lo que los ingenieros informáticos llamamos una máquina de estados. Básicamente, eso significa que una máquina cuántica por sí misma es menos capaz que una máquina de Turing o una computadora convencional. En el caso de KREQC, implementamos máquinas de estado controlando KREQC usando una computadora convencional para realizar una secuencia de cálculos cuánticos, uno por visita de estado en la ejecución de la máquina de estado.

Entonces, ¡construyamos una computadora cuántica a temperatura ambiente!

Paso 2: herramientas, piezas y materiales

No hay mucho en KREQC, pero necesitará algunas piezas y herramientas. Comencemos con las herramientas:

• Acceso a una impresora 3D de nivel de consumidor. Sería posible hacer qubits de KREQC usando una fresadora CNC y madera, pero es mucho más fácil y ordenado hacerlos extruyendo plástico PLA. La pieza impresa en 3D más grande es de 180x195x34 mm, por lo que las cosas son mucho más fáciles si la impresora tiene un volumen de impresión lo suficientemente grande como para imprimir eso en una sola pieza.
• Un soldador. Se utiliza para soldar piezas de PLA.
• Cortadores de alambre o cualquier otra cosa que pueda cortar pequeñas piezas de plástico de 1 mm de grosor (las bocinas del servo).
• Opcionalmente, herramientas de carpintería para realizar una base de madera para montar los qubits. No se necesita estrictamente una base porque cada bit tiene un soporte incorporado que permitiría que un cable de control salga por la parte posterior.

Tampoco necesitas muchas piezas ni materiales:

• PLA para hacer los qubits. Si se imprime al 100% de relleno, aún sería menos de 700 gramos de PLA por qubit; con un relleno más razonable del 25%, 300 gramos sería una mejor estimación. Por lo tanto, se podrían hacer 6 qubits usando solo una bobina de 2 kg, a un costo de material de aproximadamente $ 15.
• Un micro servo SG90 por qubit. Estos están disponibles por menos de $ 2 cada uno. Asegúrese de obtener micro servos que especifiquen una operación de posicionamiento de 180 grados; no desea los de 90 grados ni los diseñados para rotación continua a velocidad variable.
• Una placa de servocontrolador. Hay muchas opciones, incluido el uso de un Arduino, pero una opción muy fácil es el servocontrolador USB de 6 canales Pololu Micro Maestro que cuesta menos de $ 20. Hay otras versiones que pueden manejar 12, 18 o 24 canales.
• Cables de extensión para SG90 según sea necesario. Los cables de los SG90 varían un poco en longitud, pero necesitará que los qubits estén separados por un mínimo de aproximadamente 6 pulgadas, por lo que se necesitarán cables de extensión. Estos cuestan fácilmente menos de $ 0.50 cada uno, dependiendo de la longitud.
• Fuente de alimentación de 5V para Pololu y SG90. Normalmente, el Pololu se alimenta a través de una conexión USB a una computadora portátil, pero puede ser conveniente tener una fuente de alimentación separada para los servos. Usé una verruga de pared de 5V 2.5A que tenía, pero las nuevas de 3A se pueden comprar por menos de $ 5.
• Opcionalmente, cinta adhesiva de 2 caras para mantener las cosas juntas. La cinta VHB (Very-High Bond) funciona bien para mantener unida la capa exterior de cada qubit, aunque la soldadura funciona incluso mejor si nunca necesita desarmarla.
• Opcionalmente, suministros de madera y acabados para la confección de la base. La nuestra se hizo a partir de restos de taller y se mantiene unida mediante juntas de galleta, con varias capas de poliuretano transparente como acabado final.

En total, el KREQC de 6 qubit que construimos costó alrededor de $ 50 en suministros.

Paso 3: Piezas impresas en 3D: la parte interior

Todos los diseños de piezas impresas en 3D están disponibles gratuitamente como Thing 3225678 en Thingiverse. Ve a buscar tu copia ahora… esperaremos….

Ah, ¿volviste tan pronto? Está bien. El "bit" real en el qubit es una parte simple que se imprime en dos piezas porque es más fácil lidiar con soldar dos piezas juntas que usar soportes para imprimir letras en relieve en ambos lados de una parte.

Recomiendo imprimir esto en un color que contraste con la parte exterior del qubit - negro, por ejemplo. En nuestra versión, imprimimos los 0,5 mm superiores en blanco para dar contraste, pero eso requirió cambiar el filamento. Si prefiere no hacer eso, siempre puede pintar las superficies elevadas del "1" y el "0". Ambas partes se imprimen sin tramos y, por lo tanto, sin soportes. Utilizamos un relleno del 25% y una altura de extrusión de 0,25 mm.

Paso 4: Piezas impresas en 3D: la parte exterior

La parte exterior de cada qubit es una impresión un poco más complicada. Primero, estas piezas son grandes y planas, por lo que están sujetas a mucho levantamiento de la cama de impresión. Normalmente imprimo en vidrio caliente, pero esto requirió la barra adicional de impresión en cinta de pintor azul caliente para evitar deformaciones. Una vez más, un relleno del 25% y una altura de capa de 0,25 mm deberían ser más que suficientes.

Estas partes también tienen tramos. La cavidad que sostiene el servo tiene luces en ambos lados y es fundamental que las dimensiones de esta cavidad sean las correctas, por lo que necesita imprimir con soporte. El canal de enrutamiento de cables está solo en la parte posterior más gruesa y está construido para evitar cualquier tramo, excepto por una pequeña parte en la base. El interior de la base en ambas piezas técnicamente tiene un tramo sin soporte para la curva interior de la base, pero no importa si esa parte de la impresión se hunde un poco, por lo que no necesita soporte allí.

Nuevamente, una elección de color que contraste con las partes internas hará que la "Q" de los qubits sea más visible. Aunque imprimimos el frente con las partes "AGGREGATE. ORG" y "UKY. EDU" en PLA blanco sobre el fondo de PLA azul, es posible que le resulte más atractivo el aspecto de menor contraste de tener el color de la carrocería. Agradecemos que los deje allí para recordarles a los espectadores de dónde proviene el diseño, pero no es necesario gritar visualmente estas URL.

Una vez impresas estas piezas, retire cualquier material de soporte y asegúrese de que el servo encaje con las dos piezas unidas. Si no encaja, continúe eligiendo el material de soporte. Es un ajuste bastante ajustado, pero debería permitir que ambas mitades se unan al ras. Tenga en cuenta que deliberadamente no hay estructuras de alineación en la impresión porque incluso una ligera deformación podría impedir el ensamblaje.

Paso 5: ensamble la parte interior

Tome las dos partes internas y alinéelas espalda con espalda de modo que el pivote puntiagudo a la izquierda del "1" se alinee con el pivote puntiagudo del "0". Puede unirlos temporalmente con cinta adhesiva de 2 caras si lo desea, pero la clave es usar un soldador caliente para soldarlos.

Basta soldar donde se unen los bordes. Haga esto primero soldando por puntos usando el soldador para arrastrar el PLA a través del borde entre las dos piezas en varios puntos. Después de que las piezas se hayan unido, pase el soldador alrededor de la costura para crear una soldadura permanente. Las dos piezas deben formar la parte que se muestra en la imagen de arriba.

Puede comprobar el ajuste de esta pieza soldada insertándola en la parte exterior trasera. Deberá inclinarlo ligeramente para colocar el pivote puntiagudo en el lado que no tiene la cavidad del servo, pero una vez dentro, debe girar libremente.

Paso 6: oriente el servo y ajuste la bocina

Para que esto funcione, necesitamos tener una correspondencia directa conocida entre el servocontrol y la posición de rotación del servo. Cada servo tiene un ancho de pulso mínimo y máximo al que responderá. Deberá descubrirlos empíricamente para sus servos, porque contamos con el movimiento completo de 180 grados y diferentes fabricantes producen SG90 con valores ligeramente diferentes (de hecho, también tienen tamaños ligeramente diferentes, pero deberían estar lo suficientemente cerca para caben dentro del espacio permitido). Llamemos al ancho de pulso más corto "0" y al más largo "1".

Tome uno de los cuernos que vienen con su servo y recorte las alas con un cortador de alambre o cualquier otra herramienta adecuada, como se ve en la foto de arriba. El paso de engranaje muy fino en el servo es muy difícil de imprimir en 3D, por lo que en su lugar usaremos el centro de una de las bocinas del servo para eso. Coloque la bocina del servo recortada en uno de los servos. Ahora conecte el servo, colóquelo en su posición "1" y déjelo en esa posición.

Probablemente haya notado que el pivote no puntiagudo tiene una cavidad cilíndrica que es aproximadamente del tamaño de la cabeza del engranaje en su servo, y algo más pequeño que el diámetro del centro de su cuerno recortado. Tome el soldador caliente y gírelo suavemente dentro del orificio en el pivote y también alrededor del exterior del centro del cuerno recortado; tampoco estás tratando de derretirlos, sino de ablandarlos. A continuación, sosteniendo el servo, empuje el centro de la bocina directamente en el orificio del pivote con el servo en lo que debería ser la posición "1", con la parte interior mostrando el "1" cuando el servo está posicionado como estaría cuando descansando en la cavidad en la parte trasera exterior.

Debería ver que el PLA se pliega un poco sobre sí mismo mientras empuja la bocina recortada hacia adentro, creando una conexión muy firme con la bocina. Deje que el enlace se enfríe un poco y luego saque el servo. La bocina ahora debería unir la pieza lo suficientemente bien para que el servo pueda girar libremente la pieza sin un juego significativo.

Paso 7: Ensamble cada Qubit

Ahora estás listo para construir los qubits. Coloque la parte trasera exterior sobre una superficie plana (por ejemplo, una mesa) de modo que la cavidad del servo quede hacia arriba y el soporte cuelgue sobre el borde de la superficie de modo que la parte trasera exterior quede plana. Ahora tome el servo y la parte interior unidos por la bocina e insértelos en la parte exterior trasera. Presione el cable del servo en el canal correspondiente.

Una vez que todo esté al ras, coloque la parte exterior frontal sobre el conjunto. Conecte el servo y utilícelo mientras sujeta el conjunto para asegurarse de que nada se atasque o esté desalineado. Ahora use cinta VHB o use un soldador para soldar el frente exterior y la parte posterior juntos.

Repita estos pasos para cada qubit.

Paso 8: Montaje

La pequeña base de cada qubit tiene un corte en la parte posterior que le permitiría pasar el cable del servo por la parte posterior para conectarse a su controlador, y la base es lo suficientemente ancha para que cada qubit sea estable por sí mismo, por lo que simplemente podría poner cables de extensión en cada servo y extiéndalos por una mesa u otra superficie plana. Sin embargo, eso mostrará los cables que los conectan….

Siento que ver cables arruina la ilusión de una acción espeluznante a distancia, así que prefiero ocultar los cables por completo. Para hacer eso, todo lo que necesitamos es una plataforma de montaje con un orificio debajo de cada qubit que sea lo suficientemente grande para que pase el conector del cable del servo. Por supuesto, nos gustaría que cada qubit permanezca donde está, por lo que hay tres orificios roscados de 1 / 4-20 en la base. La intención es usar el centro, pero los otros se pueden usar para hacer las cosas más seguras o si el hilo central se rompe al apretar demasiado. Por lo tanto, uno perfora dos orificios estrechamente espaciados en la base para cada qubit: uno para pasar una rosca de tornillo de 1 / 4-20, el otro para pasar el conector del cable del servo.

Dado que la madera de 3/4 "es la más común, probablemente querrá usarla para la parte superior de la base, como hice yo. En ese caso, necesitará un tornillo de 1 / 4-20 o un perno de aproximadamente 1.25" largo. Puede comprarlos en cualquier ferretería a un costo de alrededor de $ 1 por seis. Alternativamente, puede imprimirlos en 3D … pero recomiendo imprimirlos uno a la vez si los imprime porque eso minimiza los defectos en la fina rosca del tornillo.

Obviamente, las dimensiones del soporte no son críticas, pero determinarán la longitud de los cables de extensión que necesitará. KREQC se realizó como dos filas de tres qubits principalmente para que el soporte quepa en una maleta de mano, que es como lo llevamos a nuestra exhibición de investigación IEEE / ACM SC18.

Paso 9: Marcalo

Como paso final, ¡no olvide etiquetar su computadora cuántica!

Imprimimos en 3D una placa de identificación en negro sobre oro, que luego se fijó al frente de madera de la base. No dude en etiquetar el suyo por otros medios, como la impresión 2D de la imagen de la placa de identificación en PDF adjunta con una impresora láser o de inyección de tinta. Tampoco estaría de más etiquetar cada qubit con su posición, especialmente si te vuelves demasiado creativo sobre cómo organizar los qubits en la base.

También puede disfrutar repartiendo llaveros qubit impresos en 3D; no están enredados ni motorizados, pero giran libremente cuando los soplas y son un gran recordatorio para llevar a casa de una demostración de KREQC.