KREQC : ordinateur quantique émulé en rotation du Kentucky : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Nous l'appelons "crique" -- orthographié KREQC: Kentucky's Rotationally Emulated Quantum Computer. Oui, cette instructable vous montrera comment créer votre propre ordinateur quantique de travail qui fonctionne de manière fiable à température ambiante avec un temps de cycle minimum d'environ 1/2 seconde. Le coût total de la construction est de 50 $ à 100 $.

Contrairement à l'ordinateur quantique IBM Q montré sur la deuxième photo, le KREQC n'utilise pas directement les phénomènes de physique quantique pour implémenter ses qubits entièrement intriqués. Eh bien, je suppose que nous pourrions affirmer que tout utilise la physique quantique, mais ce ne sont en réalité que des servomoteurs à commande conventionnelle qui mettent en œuvre "l'action effrayante à distance" d'Einstein dans KREQC. D'un autre côté, ces servos permettent à KREQC d'émuler plutôt bien le comportement, ce qui rend l'opération facile à voir et à expliquer. En parlant d'explications….

Étape 1: Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?

Avant de donner notre explication, voici un lien vers une belle explication de la documentation d'IBM Q Experience. Maintenant, nous allons tenter notre chance….

Sans aucun doute, vous avez entendu plus qu'un peu (jeu de mots) sur la façon dont les qubits confèrent des capacités de calcul magiques aux ordinateurs quantiques. L'idée de base est que si un bit ordinaire peut être 0 ou 1, un qubit peut être 0, 1 ou indéterminé. En soi, cela ne semble pas particulièrement utile - et avec un seul qubit, ce n'est pas le cas - mais plusieurs qubits intriqués ont la propriété plutôt utile que leurs valeurs indéterminées peuvent couvrir simultanément toutes les combinaisons possibles de valeurs de bits. Par exemple, 6 bits peuvent avoir n'importe quelle valeur de 0 à 63 (c'est-à-dire 2^6), tandis que 6 qubits peuvent avoir une valeur indéterminée qui est toutes les valeurs de 0 à 63 avec une probabilité potentiellement différente associée à chaque valeur possible. Lorsque la valeur d'un qubit est lue, les valeurs de celui-ci et de tous les qubits qui y sont intriqués sont déterminées, la valeur unique lue pour chaque qubit étant sélectionnée au hasard en fonction des probabilités; si la valeur indéterminée est 75 % 42 et 25 % 0, alors environ 3 fois sur quatre le calcul quantique est effectué, le résultat sera 42 et les autres fois ce sera 0. Le point clé est que le calcul quantique évalue toutes les valeurs possibles et renvoie une (parmi plusieurs) réponses valides, en essayant de manière exponentielle de nombreuses valeurs simultanément - et c'est la partie passionnante. Il faudrait 64 systèmes 6 bits pour faire ce qu'un système 6 bits peut faire.

Chacun des 6 qubits entièrement intriqués de KREQC peut avoir une valeur de rotation de 0, 1 ou indéterminée. La valeur indéterminée équiprobable est représentée par tous les qubits étant en position horizontale. Au fur et à mesure qu'un calcul quantique se déroule, les probabilités de différentes valeurs changent - représentées dans KREQC par les qubits individuels vacillant et prenant des positions statistiques reflétant les probabilités des valeurs. Finalement, le calcul quantique est terminé en mesurant les qubits intriqués, ce qui réduit la valeur indéterminée en une séquence entièrement déterminée de 0 et de 1. Dans la vidéo ci-dessus, vous voyez KREQC calculer la "réponse à la question ultime de la vie, de l'univers et de tout" - en d'autres termes, 42… qui en binaire est 101010, avec 101 dans la dernière rangée de qubits et 010 dans le devant.

Bien sûr, il y a quelques problèmes avec les ordinateurs quantiques, et KREQC en souffre aussi. Une évidence est que nous voulons vraiment des millions de qubits, pas seulement 6. Cependant, il est également important de noter que les ordinateurs quantiques n'implémentent que la logique combinatoire, contrairement à ce que nous, ingénieurs informaticiens, appelons une machine à états. Fondamentalement, cela signifie qu'une machine quantique en elle-même est moins performante qu'une machine de Turing ou un ordinateur conventionnel. Dans le cas de KREQC, nous implémentons des machines à états en contrôlant KREQC à l'aide d'un ordinateur conventionnel pour effectuer une séquence de calculs quantiques, un par visite d'état dans l'exécution de la machine à états.

Alors, allons construire un ordinateur quantique à température ambiante !

Étape 2: Outils, pièces et matériaux

Il n'y a pas grand-chose à KREQC, mais vous aurez besoin de quelques pièces et outils. Commençons par les outils:

• Accès à une imprimante 3D grand public. Il serait possible de fabriquer les qubits de KREQC en utilisant une fraiseuse CNC et du bois, mais il est beaucoup plus facile et plus propre de les fabriquer en extrudant du plastique PLA. La plus grande partie imprimée en 3D est de 180x195x34mm, donc les choses sont beaucoup plus faciles si l'imprimante a un volume d'impression suffisamment grand pour l'imprimer en une seule pièce.
• Un fer à souder. A utiliser pour souder des pièces en PLA.
• Des pinces coupantes ou quelque chose d'autre qui peut couper de petites pièces en plastique de 1 mm d'épaisseur (les palonniers de servo).
• En option, des outils de menuiserie pour fabriquer une base en bois pour monter les qubits. Une base n'est pas strictement nécessaire car chaque embout a un support intégré qui permettrait à un câble de commande de sortir par l'arrière.

Vous n'avez pas non plus besoin de beaucoup de pièces ni de matériaux:

• PLA pour faire les qubits. S'il était imprimé à 100 % de remplissage, il s'agirait toujours de moins de 700 grammes de PLA par qubit; à un remplissage plus raisonnable de 25%, 300 grammes seraient une meilleure estimation. Ainsi, 6 qubits pourraient être réalisés à l'aide d'une seule bobine de 2 kg, pour un coût matériel d'environ 15 $.
• Un micro servo SG90 par qubit. Ceux-ci sont facilement disponibles pour moins de 2 $ chacun. Assurez-vous d'avoir des micro servos qui spécifient un fonctionnement de positionnement à 180 degrés - vous n'en voulez pas non plus à 90 degrés et vous ne voulez pas non plus de ceux conçus pour une rotation continue à vitesse variable.
• Une carte servocontrôleur. Il existe de nombreux choix, y compris l'utilisation d'un Arduino, mais un choix très simple est le contrôleur servo USB Pololu Micro Maestro 6 canaux qui coûte moins de 20 $. Il existe d'autres versions qui peuvent gérer 12, 18 ou 24 canaux.
• Câbles d'extension pour les SG90 au besoin. Les câbles des SG90 varient quelque peu en longueur, mais vous aurez besoin que les qubits soient séparés d'au moins 6 pouces environ, des rallonges seront donc nécessaires. Ceux-ci sont facilement inférieurs à 0,50 $ chacun, selon la longueur.
• Une alimentation 5V pour les Pololu et SG90. Normalement, le Pololu est alimenté via une connexion USB à un ordinateur portable, mais il peut être judicieux d'avoir une alimentation séparée pour les servos. J'ai utilisé une verrue murale 5V 2.5A que j'avais autour, mais de nouvelles 3A peuvent être achetées pour moins de 5 $.
• En option, du ruban adhésif double face pour maintenir les choses ensemble. Le ruban VHB (Very-High Bond) fonctionne bien pour maintenir la coque externe de chaque qubit ensemble, bien que le soudage fonctionne encore mieux si vous n'avez jamais besoin de le démonter.
• En option, bois et fournitures de finition pour la fabrication de la base. Le nôtre a été fabriqué à partir de chutes d'atelier et est maintenu par des joints en biscuit, avec plusieurs couches de polyuréthane transparent comme finition finale.

Au total, le KREQC à 6 qubits que nous avons construit coûte environ 50 $ en fournitures.

Étape 3: Pièces imprimées en 3D: la pièce intérieure

Toutes les conceptions de pièces imprimées en 3D sont disponibles gratuitement sous le nom de Thing 3225678 sur Thingiverse. Allez chercher votre copie maintenant… nous attendrons….

Ah, de retour si tôt ? D'accord. Le "bit" réel dans le qubit est une pièce simple qui est imprimée en deux pièces car il est plus facile de souder deux pièces ensemble que d'utiliser des supports pour imprimer des lettres en relief des deux côtés d'une pièce.

Je recommande de l'imprimer dans une couleur qui contraste avec la partie extérieure du qubit - le noir, par exemple. Dans notre version, nous avons imprimé le haut 0,5 mm en blanc pour donner du contraste, mais cela nécessitait de changer de filament. Si vous préférez ne pas le faire, vous pouvez toujours simplement peindre les surfaces surélevées du "1" et du "0". Ces deux parties s'impriment sans travées et donc sans supports. Nous avons utilisé un remplissage de 25 % et une hauteur d'extrusion de 0,25 mm.

Étape 4: Pièces imprimées en 3D: la pièce extérieure

La partie extérieure de chaque qubit est une impression un peu plus délicate. Premièrement, ces pièces sont grandes et plates, donc sujettes à beaucoup de soulèvement de votre lit d'impression. J'imprime normalement sur du verre chaud, mais ceux-ci nécessitaient le bâton supplémentaire d'impression sur du ruban de peintre bleu chaud pour éviter le gauchissement. Encore une fois, 25% de remplissage et une hauteur de couche de 0,25 mm devraient être plus que suffisants.

Ces parties ont également toutes deux des travées. La cavité qui contient le servo a des portées des deux côtés et il est essentiel que les dimensions de cette cavité soient correctes - elle doit donc être imprimée avec un support. Le canal d'acheminement des câbles se trouve uniquement sur la face arrière la plus épaisse et est construit pour éviter toute portée, à l'exception d'un petit morceau à la base même. L'intérieur de la base sur les deux pièces a techniquement une portée non supportée pour la courbe intérieure de la base, mais peu importe si cette partie de l'impression s'affaisse un peu, vous n'avez donc pas besoin de support là-bas.

Encore une fois, un choix de couleur qui contraste avec les parties intérieures rendra le "Q" des qubits plus visible. Bien que nous ayons imprimé le devant avec les parties « AGGREGATE. ORG » et « UKY. EDU » en PLA blanc sur fond bleu PLA, vous pourriez trouver l'aspect moins contrasté de la couleur de la carrosserie plus attrayant. Nous vous remercions de les laisser là pour rappeler aux téléspectateurs d'où vient le design, mais il n'est pas nécessaire de crier visuellement ces URL.

Une fois ces pièces imprimées, retirez tout matériau de support et assurez-vous que le servo s'adapte aux deux pièces maintenues ensemble. S'il ne s'adapte pas, continuez à choisir le matériau de support. C'est un ajustement assez serré, mais devrait permettre aux deux moitiés d'être poussées ensemble. Notez qu'il n'y a délibérément aucune structure d'alignement dans l'impression car même un léger gauchissement les empêcherait d'assembler.

Étape 5: Assembler la partie intérieure

Prenez les deux parties intérieures et alignez-les dos à dos de telle sorte que le pivot pointu à gauche du "1" s'aligne avec le pivot pointu sur le "0". Vous pouvez les maintenir temporairement ensemble avec du ruban adhésif double face si vous le souhaitez, mais la clé est d'utiliser un fer à souder chaud pour les souder ensemble.

Il suffit de souder là où les bords se rejoignent. Pour ce faire, commencez par souder par pointage en utilisant le fer à souder pour faire glisser le PLA sur le bord entre les deux pièces à plusieurs endroits. Une fois les pièces collées ensemble, passez le fer à souder tout autour du joint pour créer une soudure permanente. Les deux pièces doivent former la pièce montrée dans l'image ci-dessus.

Vous pouvez vérifier l'ajustement de cette pièce soudée en l'insérant dans la partie extérieure arrière. Vous devrez l'incliner légèrement pour amener le pivot pointu dans le côté qui n'a pas la cavité du servo, mais une fois dedans, il devrait tourner librement.

Étape 6: Orientez le servo et réglez le klaxon

Pour que cela fonctionne, nous devons avoir une correspondance directe connue entre la servocommande et la position de rotation du servo. Chaque servo a une largeur d'impulsion minimale et maximale à laquelle il répondra. Vous devrez les découvrir empiriquement pour vos servos, car nous comptons sur le mouvement complet de 180 degrés et différents fabricants produisent des SG90 avec des valeurs légèrement différentes (en fait, ils ont également des tailles légèrement différentes, mais ils devraient être suffisamment proches pour tenir dans l'espace autorisé). Appelons la largeur d'impulsion la plus courte "0" et la plus longue "1".

Prenez l'un des klaxons fournis avec votre servo et coupez les ailes à l'aide d'un coupe-fil ou de tout autre outil approprié - comme le montre la photo ci-dessus. Le pas d'engrenage très fin sur le servo est très difficile à imprimer en 3D, nous utiliserons donc à la place le centre de l'un des palonniers du servo pour cela. Placez le palonnier de servo sur l'un des servos. Branchez maintenant le servo, réglez-le sur sa position "1" et laissez-le dans cette position.

Vous avez probablement remarqué que le pivot non pointu a une cavité cylindrique qui est à peu près de la taille de la tête d'engrenage de votre servo - et un peu plus petite que le diamètre du centre de votre cornet taillé. Prenez le fer à souder chaud et faites-le tourner doucement à l'intérieur du trou du pivot et également autour de l'extérieur du centre de la corne taillée; vous n'essayez pas non plus de fondre, mais juste de les ramollir. Ensuite, en tenant le servo, poussez le centre du klaxon directement dans le trou du pivot avec le servo dans ce qui devrait être la position "1" - avec la partie intérieure montrant le "1" lorsque le servo est positionné comme il le serait lorsque reposant dans la cavité de la partie arrière extérieure.

Vous devriez voir le PLA se replier un peu sur lui-même lorsque vous poussez le cornet taillé, créant une connexion très ferme avec le cornet. Laissez le lien refroidir un peu, puis retirez le servo. Le klaxon doit maintenant coller suffisamment bien la pièce pour que le servo puisse faire tourner librement la pièce sans jeu significatif.

Étape 7: Assemblez chaque Qubit

Vous êtes maintenant prêt à créer les qubits. Placez la partie arrière extérieure sur une surface plane (par exemple, une table) de sorte que la cavité du servo soit orientée vers le haut et que le support soit suspendu au bord de la surface de sorte que la partie arrière extérieure soit à plat. Prenez maintenant le servo et la partie intérieure attachés par le klaxon et insérez-les dans la partie extérieure arrière. Appuyez sur le câble du servo dans le canal pour cela.

Une fois que tout est à plat, placez la partie extérieure avant sur l'ensemble. Branchez le servo et faites-le fonctionner tout en maintenant l'ensemble ensemble pour vous assurer que rien ne se coince ou n'est mal aligné. Utilisez maintenant du ruban VHB ou utilisez un fer à souder pour souder l'avant et l'arrière extérieurs ensemble.

Répétez ces étapes pour chaque qubit.

Étape 8: Montage

La petite base de chaque qubit a une découpe à l'arrière qui vous permettrait de faire passer le câble d'asservissement à l'arrière pour le connecter à votre contrôleur, et la base est suffisamment large pour que chaque qubit soit stable par lui-même, vous pouvez donc simplement mettre rallonges sur chaque servo et faites-les passer sur une table ou une autre surface plane. Cependant, cela montrera les fils qui les relient….

J'ai l'impression que voir des fils ruine l'illusion d'une action effrayante à distance, alors je préfère cacher complètement les fils. Pour ce faire, tout ce dont nous avons besoin est une plate-forme de montage avec un trou sous chaque qubit suffisamment grand pour que le connecteur du câble servo puisse y passer. Bien sûr, nous aimerions que chaque qubit reste là où il est placé, il y a donc trois trous taraudés 1/4-20 dans la base. L'intention est d'utiliser celui du centre, mais les autres peuvent être utilisés pour sécuriser les choses ou si le filetage central est dénudé par un serrage excessif. Ainsi, on perce deux trous rapprochés dans la base pour chaque qubit: l'un pour passer un pas de vis 1/4-20, l'autre pour passer le connecteur du câble servo.

Étant donné que le bois de 3/4" est le plus courant, vous voudrez probablement l'utiliser pour le haut de la base - comme je l'ai fait. Dans ce cas, vous aurez besoin d'une vis ou d'un boulon 1/4-20 d'environ 1,25" longue. Vous pouvez les acheter dans n'importe quelle quincaillerie au prix d'environ 1 $ pour six. Alternativement, vous pouvez les imprimer en 3D… mais je recommande de les imprimer un à la fois si vous les imprimez car cela minimise les défauts du filetage fin.

Évidemment, les dimensions du support ne sont pas critiques, mais elles détermineront les longueurs de rallonges dont vous aurez besoin. KREQC a été réalisé en deux rangées de trois qubits principalement pour que la monture puisse tenir dans une valise à main, c'est ainsi que nous l'avons apportée à notre exposition de recherche IEEE/ACM SC18.

Étape 9: Marquez-le

Pour finir, n'oubliez pas d'étiqueter votre ordinateur quantique !

Nous avons imprimé en 3D une plaque signalétique en noir sur or, qui a ensuite été fixée sur le devant en bois de la base. N'hésitez pas à étiqueter le vôtre par d'autres moyens, tels que l'impression 2D de l'image de la plaque signalétique PDF jointe avec une imprimante laser ou à jet d'encre. Cela ne ferait pas de mal non plus d'étiqueter chaque qubit avec sa position, surtout si vous êtes trop créatif sur la façon dont vous organisez les qubits sur la base.

Vous pourriez également aimer distribuer des porte-clés qubit imprimés en 3D; ils ne sont pas emmêlés et ne sont pas motorisés, mais ils tournent librement lorsque vous soufflez dessus et font un excellent rappel à la maison d'une démonstration KREQC.