Wir nennen es "Bach" - geschrieben KREQC: Kentuckys rotationsemulierter Quantencomputer. Ja, diese Anleitung zeigt Ihnen, wie Sie Ihren eigenen funktionierenden Quantencomputer herstellen, der bei Raumtemperatur mit einer minimalen Zykluszeit von ungefähr 1/2 Sekunde zuverlässig arbeitet. Die Gesamtbaukosten betragen 50 bis 100 US-Dollar.

Im Gegensatz zu dem auf dem zweiten Foto gezeigten IBM Q-Quantencomputer verwendet KREQC nicht direkt quantenphysikalische Phänomene, um seine vollständig verschränkten Qubits zu implementieren. Nun, ich nehme an, wir könnten argumentieren, dass alles Quantenphysik verwendet, aber es sind wirklich nur konventionell gesteuerte Servos, die Einsteins "spukhafte Fernwirkung" in KREQC implementieren. Auf der anderen Seite ermöglichen diese Servos KREQC, das Verhalten ziemlich gut zu emulieren, wodurch die Bedienung einfach zu sehen und zu erklären ist. Apropos Erklärungen ….

Zubehör:

Schritt 1: Was ist ein Quantencomputer?

KREQC hat nicht viel zu bieten, aber Sie benötigen einige Teile und Werkzeuge. Beginnen wir mit den Tools:

• Zugriff auf einen 3D-Drucker für Endverbraucher. Es wäre möglich, die Qubits von KREQC mit einer CNC-Fräsmaschine und Holz herzustellen, aber es ist viel einfacher und sauberer, sie durch Extrudieren von PLA-Kunststoff herzustellen. Das größte 3D-gedruckte Teil ist 180 x 195 x 34 mm groß, sodass die Dinge viel einfacher sind, wenn der Drucker über ein ausreichendes Druckvolumen verfügt, um dieses Teil in einem Stück zu drucken.
• Ein Lötkolben. Zum Schweißen von PLA-Teilen.
• Drahtschneider oder etwas anderes, das kleine 1 mm dicke Kunststoffteile (die Servohörner) schneiden kann.
• Optional Holzbearbeitungswerkzeuge zur Herstellung einer Holzbasis zur Montage der Qubits. Ein Sockel ist nicht unbedingt erforderlich, da jedes Bit einen eingebauten Ständer hat, über den ein Steuerkabel nach hinten geführt werden kann.

Sie benötigen auch nicht viele Teile oder Materialien:

• PLA für die Herstellung der Qubits. Wenn mit 100% Füllung gedruckt würde, wären es immer noch weniger als 700 Gramm PLA pro Qubit; Bei einer angemesseneren Füllung von 25% wären 300 Gramm eine bessere Schätzung. So konnten 6 Qubits mit nur einer 2-kg-Spule zu einem Materialpreis von etwa 15 USD hergestellt werden.
• Ein SG90 Mikroservo pro Qubit. Diese sind für weniger als 2 US-Dollar erhältlich. Stellen Sie sicher, dass Sie Mikroservos erhalten, die eine 180-Grad-Positionierung ermöglichen. Sie möchten keine 90-Grad-Servos und keine Servos, die für eine kontinuierliche Rotation mit variabler Geschwindigkeit ausgelegt sind.
• Eine Servocontroller-Platine. Es gibt viele Möglichkeiten, einschließlich der Verwendung eines Arduino, aber eine sehr einfache Wahl ist der 6-Kanal-USB-Servocontroller Pololu Micro Maestro, der unter 20 US-Dollar kostet. Es gibt andere Versionen, die 12, 18 oder 24 Kanäle verarbeiten können.
• Verlängerungskabel für die SG90s nach Bedarf. Die Kabel der SG90s variieren in der Länge etwas, aber Sie müssen Qubits durch ein Minimum von ca. 6 Zoll trennen, so dass Verlängerungskabel benötigt werden. Diese liegen je nach Länge leicht unter 0,50 USD.
• Ein 5V Netzteil für die Pololu und SG90s. Normalerweise wird der Pololu über eine USB-Verbindung mit einem Laptop betrieben. Es kann jedoch sinnvoll sein, die Servos separat mit Strom zu versorgen. Ich habe eine 5V 2.5A Wandwarze verwendet, die ich in der Nähe hatte, aber neue 3A können für unter 5 USD gekauft werden.
• Optional 2-seitiges Klebeband, um die Dinge zusammenzuhalten. VHB-Klebeband (Very-High Bond) hält die äußere Hülle jedes Qubits gut zusammen, obwohl das Schweißen noch besser funktioniert, wenn Sie es nie auseinander nehmen müssen.
• Optional Holz und Finishing-Lieferungen für die Herstellung der Basis. Unsere wurde aus Ladenabfällen hergestellt und wird durch Keksfugen zusammengehalten, mit mehreren Schichten klarem Polyurethan als letztes Finish.

Insgesamt kostete der von uns gebaute 6-Qubit-KREQC rund 50 US-Dollar.

Schritt 3: 3D-gedruckte Teile: das Innenteil

Alle 3D-gedruckten Teiledesigns sind als Thing 3225678 frei verfügbar bei Thingiverse. Hol jetzt dein Exemplar … wir warten …

Ah, so bald zurück? OK. Das eigentliche "Bit" im Qubit ist ein einfacher Teil, der in zwei Teilen gedruckt wird, da es einfacher ist, zwei Teile zusammenzuschweißen, als Träger zu verwenden, um erhabene Buchstaben auf beiden Seiten eines Teils zu drucken.

Ich empfehle, dies in einer Farbe zu drucken, die sich vom äußeren Teil des Qubits abhebt - beispielsweise Schwarz. In unserer Version haben wir die oberen 0,5 mm in Weiß gedruckt, um einen Kontrast zu erzielen, dies erforderte jedoch einen Filamentwechsel. Wenn Sie das lieber nicht tun, können Sie immer nur die erhabenen Flächen der "1" und "0" malen. Beide Teile werden ohne Spannweiten und damit ohne Stützen gedruckt. Wir verwendeten 25% Füllung und 0,25 mm Extrusionshöhe.

Schritt 4: 3D-gedruckte Teile: das Außenteil

Der äußere Teil jedes Qubits ist etwas kniffliger. Erstens sind diese Teile groß und flach und müssen daher viel von Ihrem Druckbett abgehoben werden. Normalerweise drucke ich auf heißem Glas, aber diese erfordern den zusätzlichen Druck auf heißem blauen Malerband, um ein Verziehen zu vermeiden. Auch hier sollten 25% Füllung und 0,25 mm Schichthöhe mehr als genug sein.

Diese Teile haben auch beide Spannweiten. Der Hohlraum, der das Servo hält, hat Spannweiten auf beiden Seiten und es ist wichtig, dass die Abmessungen dieses Hohlraums korrekt sind - daher muss er mit Unterstützung gedruckt werden. Der Kabelführungskanal befindet sich nur auf der dickeren Rückseite und ist so konstruiert, dass bis auf ein kleines Stück ganz unten keine Überbrückung auftritt. Die Innenseite der Basis an beiden Teilen hat technisch gesehen eine nicht unterstützte Spannweite für die innere Krümmung der Basis, aber es spielt keine Rolle, ob dieser Teil des Drucks ein wenig durchhängt, sodass Sie dort keine Unterstützung benötigen.

Wieder macht eine Farbwahl, die sich von den inneren Teilen abhebt, das "Q" der Qubits besser sichtbar. Obwohl wir die Vorderseite mit den Teilen "AGGREGATE.ORG" und "UKY.EDU" aus weißem PLA auf dem blauen PLA-Hintergrund bedruckt haben, sieht es möglicherweise kontrastärmer aus, als wenn die Gehäusefarbe ansprechender wäre. Wir freuen uns, dass Sie sie dort belassen, um die Betrachter daran zu erinnern, woher das Design stammt. Es ist jedoch nicht erforderlich, diese URLs visuell anzuzeigen.

Entfernen Sie nach dem Drucken dieser Teile das Trägermaterial und stellen Sie sicher, dass das Servo mit den beiden zusammengehaltenen Teilen zusammenpasst. Wenn es nicht passt, fahren Sie mit dem Heraussuchen des Trägermaterials fort. Es ist eine ziemlich enge Passform, sollte aber ermöglichen, dass beide Hälften bündig zusammengeschoben werden. Beachten Sie, dass der Ausdruck absichtlich keine Ausrichtungsstrukturen enthält, da diese bereits durch leichte Verwerfungen die Montage verhindern würden.

Schritt 5: Montieren Sie das Innenteil

Nehmen Sie die beiden Innenteile und richten Sie sie Rücken an Rücken so aus, dass der spitze Drehpunkt links von der "1" mit dem spitzen Drehpunkt auf der "0" übereinstimmt. Sie können sie bei Bedarf vorübergehend mit doppelseitigem Klebeband zusammenhalten. Der Schlüssel ist jedoch, sie mit einem heißen Lötkolben zusammenzuschweißen.

Es reicht aus, dort zu schweißen, wo die Kanten zusammenkommen. Führen Sie dies durch, indem Sie zunächst mit dem Lötkolben das PLA an mehreren Stellen über die Kante zwischen den beiden Teilen zusammenziehen. Lassen Sie den Lötkolben nach dem Zusammenheften der Teile rund um die Naht laufen, um eine dauerhafte Schweißnaht zu erhalten. Die beiden Teile sollten den im Bild oben gezeigten Teil ergeben.

Sie können den Sitz dieses Schweißteils überprüfen, indem Sie es in das hintere Außenteil einsetzen. Sie müssen es leicht neigen, um den spitzen Zapfen in die Seite zu bringen, die nicht über die Servokavität verfügt. Sobald er jedoch eingedrungen ist, sollte er sich frei drehen.

Schritt 6: Servo ausrichten und Hupe einstellen

Damit dies funktioniert, benötigen wir eine bekannte direkte Entsprechung zwischen Servosteuerung und Drehposition des Servos. Jedes Servo hat eine minimale und maximale Impulsbreite, auf die es reagiert. Sie müssen diese empirisch für Ihre Servos ermitteln, da wir auf die volle 180-Grad-Bewegung setzen und verschiedene Hersteller SG90s mit geringfügig unterschiedlichen Werten herstellen (tatsächlich haben sie auch geringfügig unterschiedliche Größen, sollten aber nahe genug sein) passen in den erlaubten Raum). Nennen wir die kürzeste Impulsbreite "0" und die längste "1".

Nehmen Sie eines der mit Ihrem Servo gelieferten Hörner und schneiden Sie die Flügel mit einem Drahtschneider oder einem anderen geeigneten Werkzeug ab (siehe Foto oben). Die sehr feine Gangteilung auf dem Servo ist sehr schwierig in 3D zu drucken, daher verwenden wir stattdessen die Mitte eines der Servohörner. Setzen Sie das getrimmte Servohorn auf eines der Servos. Stecken Sie nun das Servo ein, stellen Sie es auf "1" und lassen Sie es in dieser Position.

Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass der nicht spitze Zapfen einen zylindrischen Hohlraum aufweist, der ungefähr so ​​groß ist wie der Getriebekopf Ihres Servos - und etwas kleiner als der Durchmesser Ihres getrimmten Hornzentrums. Nehmen Sie den heißen Lötkolben und schwenken Sie ihn vorsichtig in das Loch im Zapfen und auch um die Außenseite der getrimmten Hornmitte. du versuchst auch nicht zu schmelzen, sondern sie nur weich zu machen. Halten Sie das Servo fest und schieben Sie die Hupenmitte mit dem Servo in der Position "1" gerade in das Loch im Drehpunkt. Der innere Teil zeigt die "1", wenn das Servo so positioniert ist, wie er wäre ruht in der Aussparung im äußeren hinteren Teil.

Sie sollten sehen, wie sich das PLA ein wenig auf sich selbst faltet, wenn Sie das getrimmte Horn hineinschieben, wodurch eine sehr feste Verbindung zum Horn hergestellt wird. Lassen Sie die Verbindung etwas abkühlen und ziehen Sie dann das Servo heraus. Das Horn sollte das Teil nun gut genug verbinden, so dass das Servo das Teil ohne signifikantes Spiel frei drehen kann.

Schritt 7: Montieren Sie jedes Qubit

Jetzt können Sie die Qubits erstellen. Stellen Sie den äußeren hinteren Teil so auf eine ebene Oberfläche (z. B. einen Tisch), dass der Servohohlraum nach oben zeigt und der Ständer über der Oberflächenkante hängt, sodass der äußere hintere Teil flach sitzt. Nehmen Sie nun das mit der Hupe befestigte Servo und Innenteil und setzen Sie diese in das hintere Außenteil ein. Drücken Sie das Kabel vom Servo in den Kanal dafür.

Sobald alles bündig sitzt, platzieren Sie das vordere Außenteil über der Baugruppe. Schließen Sie das Servo an und bedienen Sie es, während Sie die Baugruppe zusammenhalten, um sicherzustellen, dass nichts verklemmt oder falsch ausgerichtet ist. Verwenden Sie jetzt entweder ein VHB-Klebeband oder einen Lötkolben, um die äußere Vorder- und Rückseite miteinander zu verschweißen.

Wiederholen Sie diese Schritte für jedes Qubit.

Schritt 8: Montage

Die kleine Basis jedes Qubits hat einen Schnitt in der Rückseite, durch den Sie das Servokabel zur Verbindung mit Ihrem Controller herausführen können. Die Basis ist breit genug, damit jedes Qubit für sich stabil ist Verlängerungskabel an jedem Servo verlegen und über einen Tisch oder eine andere ebene Fläche verteilen. Das wird jedoch Drähte anzeigen, die sie verbinden ….

Ich habe das Gefühl, dass das Sehen von Drähten die Illusion einer gruseligen Aktion aus der Ferne ruiniert. Deshalb ziehe ich es vor, die Drähte vollständig zu verstecken. Dazu benötigen wir lediglich eine Montageplattform mit einem Loch unter jedem Qubit, das groß genug ist, um den Servokabelstecker hindurchzuführen. Natürlich möchten wir, dass jedes Qubit dort bleibt, wo es hingestellt ist, also gibt es drei 1 / 4-20 Gewindebohrungen in der Basis. Die Absicht ist, die mittlere zu verwenden, aber die anderen können verwendet werden, um die Sicherheit zu erhöhen, oder wenn der mittlere Faden durch Überdrehen abgezogen wird. Daher bohrt man für jedes Qubit zwei eng beieinander liegende Löcher in die Basis: eines zum Durchführen eines 1 / 4-20-Schraubengewindes, das andere zum Durchführen des Servokabelsteckers.

Da 3/4 "Holz am häufigsten verwendet wird, möchten Sie es wahrscheinlich für die Oberseite des Sockels verwenden - genau wie ich. In diesem Fall benötigen Sie eine 1 / 4-20-Schraube oder einen 1,25" -Bolzen. lange. Sie können sie in jedem Baumarkt zum Preis von etwa 1 US-Dollar für sechs kaufen. Alternativ können Sie sie auch in 3D drucken … Ich empfehle jedoch, sie einzeln zu drucken, wenn Sie sie drucken, da dies die Fehler im feinen Schraubengewinde minimiert.

Natürlich sind die Abmessungen der Halterung nicht kritisch, aber sie bestimmen die Länge der benötigten Verlängerungskabel. KREQC wurde in erster Linie in zwei Reihen zu drei Qubits durchgeführt, damit die Halterung in einen Handgepäckkoffer passt. So haben wir sie zu unserer IEEE / ACM SC18-Forschungsausstellung gebracht.

Schritt 9: Brand es

Vergessen Sie abschließend nicht, Ihren Quantencomputer zu kennzeichnen!

Wir haben ein Typenschild in Schwarz auf Gold 3D-gedruckt, das dann an der Holzfront des Sockels befestigt wurde. Sie können Ihre Etiketten auch auf andere Weise drucken, z. B. durch 2D-Drucken des beigefügten PDF-Typenschilds mit einem Laser- oder Tintenstrahldrucker. Es würde auch nicht schaden, jedes Qubit mit seiner Position zu kennzeichnen, besonders wenn Sie zu kreativ sind, wie Sie die Qubits auf der Basis anordnen.

Sie können auch gerne 3D-gedruckte Qubit-Schlüsselanhänger verteilen. Sie sind weder verwickelt noch motorisiert, aber sie drehen sich frei, wenn Sie auf sie blasen, und erinnern hervorragend an eine KREQC-Demonstration zum Mitnehmen.