Informatique quantique DIY : comment j'ai commencé à construire des circuits quantiques

Contenus de la page

Noah Wood est le fondateur de Spooky Manufacturing, une startup d’informatique quantique à Phoenix, en Arizona

Un simple circuit quantique !

L’informatique quantique est un nouveau monde merveilleux et complexe, mais nous n’avons pas besoin d’attendre que la Silicon Valley se rattrape pour commencer à expérimenter par nous-mêmes. En fait, il existe une méthode peu connue mais abordable pour construire des ordinateurs quantiques que tout le monde peut utiliser. !

En 2000, les scientifiques Knill, Laflamme et Milburn ont développé une méthode de calcul quantique qui est devenue plus tard connue sous le nom de protocole KLM. Essentiellement, ce qu’ils ont découvert, c’est que vous pouvez effectuer n’importe quel calcul quantique théorique en utilisant rien de plus que des optiques intelligemment agencées ! (miroirs)

En utilisant les propriétés quantiques de la lumière et le protocole KLM, nous sommes en mesure de créer des qubits rapidement et à moindre coût en utilisant des composants optiques et électroniques prêts à l’emploi, des séparateurs de faisceau (miroirs partiels) peuvent être achetés pour aussi peu que 30 $, ce qui fait du protocole KLM le méthode la moins chère pour réaliser l’informatique quantique à ce jour. C’est ce prix abordable qui m’a permis d’expérimenter des circuits quantiques simples dans mon salon !

Le saviez-vous?

En utilisant le protocole KLM, nous sommes en mesure de créer des ordinateurs quantiques abordables !

Aléatoire quantique

Les systèmes quantiques nous semblent être naturellement aléatoires, les actions des particules subatomiques sont déterminées par la probabilité que cette action se produise lors de l’observation, de sorte que la technologie quantique est bien adaptée au caractère aléatoire et à la génération d’entropie.

Pour cette raison, le premier circuit quantique que j’ai construit était un simple générateur de nombres aléatoires basé vaguement sur le protocole KLM. En utilisant ce que l’on appelle un séparateur de faisceau polarisant, nous sommes en mesure de créer des chemins optiques ou des modes distincts basés sur la polarisation d’un photon. Le séparateur de faisceau reflétera la lumière polarisée horizontalement et permettra à la lumière polarisée verticalement de circuler sans entrave.

Cela seul n’est pas très intéressant, mais la lumière a une autre bizarrerie connue sous le nom de superposition où un photon peut agir à la fois comme une particule, traversant l’un ou l’autre mode, ou comme une onde, traversant les deux modes simultanément ! Cet effet a été observé pour la première fois dans une expérience du médecin Thomas Young dans sa célèbre expérience à double fente.

C’est là que ça devient vraiment bizarre, quand le photon traverse le séparateur de faisceau, si ce n’est pas le cas à la perfection polarisé horizontalement ou verticalement, il sera en fait à la fois réfléchi et traversé par le séparateur de faisceau. Ce n’est que lorsque le photon est réellement détecté qu’il « s’effondre » hors de cet état ondulatoire et redevient une particule de manière aléatoire sur l’un des deux modes possibles.

confus? Regardez cette vidéo du physicien Eugene Khutoryansky qui l’explique bien mieux que je ne pourrais l’espérer

Explication de la mécanique quantique

Mesurer la lumière

Avec les connaissances ci-dessus, la fabrication de l’appareil n’est pas une tâche trop difficile, nous faisons simplement briller une lumière à travers un séparateur de faisceau et mesurons la lumière. Mais comment mesure-t-on la lumière ?

La réponse est très simple, bien qu’il existe des moyens très sophistiqués (et coûteux) de mesurer les photons, le moyen le plus simple de mesurer la lumière consiste à utiliser un composant appelé photorésistance.

Les photorésistances sont des résistances variables qui nous permettent de modifier la résistance d’un circuit en fonction du nombre de photons qui entrent en contact avec la photorésistance. Lorsque les photons frappent la photorésistance, cela abaisse la résistance du circuit, ce qui augmente la tension de notre circuit.

Les photorésistances sont aussi bon marché que les transistors et les LED, ce qui en fait une option très abordable pour l’amateur d’ordinateur quantique bricoleur.

Faites défiler pour continuer

Un mot sur les modes photoniques

Notre ordinateur quantique utilisera des photons polarisés linéairement comme qubit. Cela nous donne deux états possibles pour notre qubit : polarisé horizontalement et polarisé verticalement avec une polarisation de superposition qui peut être n’importe quel angle entre 0 et 90 degrés. Une démonstration rapide des états est présentée ci-dessous sous forme de texte :

Lumière polarisée verticalement : |
Lumière polarisée horizontalement : __
Lumière dans une superposition de polarisation : /

Conception du circuit quantique

Lorsque vous travaillez avec des ordinateurs quantiques, tout commence par l’algorithme. Vous devez savoir ce que vous voulez que votre circuit quantique fasse avant de pouvoir manipuler les particules pour faire ce que vous voulez.

Pour ce premier circuit quantique, l’algorithme est vraiment simple !

Pulser une diode laser pour créer des photons.
Passez les photons à travers un séparateur de faisceau.
Mesurez les modes V et H de la sortie du séparateur de faisceau avec des photo-résistances.
S’il y a une tension plus élevée (résistance plus faible, plus de photons) en mode H qu’en mode V, nous renvoyons un 0.
S’il y a une tension plus élevée dans le mode V que dans le mode H, nous renvoyons un 1.
S’il y a une tension égale dans les deux modes, nous répétons l’algorithme.

Et ainsi nous sommes capables de créer notre générateur de nombres aléatoires quantiques !

Micrologiciel Arduino

/*      Annotated QRNGv1 Firmware V1.1
 * Author: Noah G. Wood
 * 
 * Copyright (c) 2019 Spooky Manufacturing, LLC
 * License: GPLv3.0
 * 
 */
int triggerPin = 2; // This pin will pulse our quantum circuit
int hPin = A0; // This pin measures the horizontal polarized photons
int vPin = A1; // This pin measures the vertically polarized photons
float H = 0;
float V = 0;
 
void setup() {
  // Just setting up triggerPin and serial connection
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(triggerPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}
 
int Random() {
  // Pulse the laser
  digitalWrite(triggerPin, HIGH);
  delay(3);
  digitalWrite(triggerPin, LOW);
  // Read the photoresistors
  H = analogRead(hPin);
  V = analogRead(vPin);
  // Determine random bit
  if(H>V) { // More photons in the H mode, return 0
    return 0;
  } if(H < V) { // More photons in the V mode, return 1
    return 1;
  } else { 
    /* The same number of photons are in both modes!
        This is actually not an uncommon occurrence, for our
        purposes we will simply run the function recursively until
        a random bit can be generated.
     */
    Random();
  }
}
 
void loop() {
  // The main program
  // Run our program and print the random bit to serial
  Serial.print(Random());
}

Le circuit optique

Le circuit optique : une diode laser dirigée dans un séparateur de faisceau, chaque chemin du séparateur est dirigé dans une photo-résistance séparée qui est mesurée à l'aide d'un Arduino Uno

Pièces à construire soi-même

Si vous voulez le construire vous-même, voici les pièces dont vous avez besoin (ce sont les mêmes matériaux que j'ai utilisés) :

Arduino Uno
photorésistances
Séparateur de faisceau 50/50
Diode Laser Rouge 650nm
Argile Plastiline
Bouclier de planche à pain Arduino
Mallette/boîte de projet (j'ai acheté la mienne chez Michael, mais mes premiers prototypes n'utilisaient que les boîtes en carton dans lesquelles les composants étaient livrés)

Une note sur l'expédition du séparateur de faisceau :

Les séparateurs de faisceau peuvent prendre un peu de temps pour être expédiés, je crois qu'ils viennent de Chine. Je recommanderais Edmunds Optical si vous vouliez vous lancer sérieusement dans l'informatique quantique, mais ils peuvent être assez chers et nous n'avons pas vraiment besoin de ce genre de qualité de niveau laboratoire pour une simple expérimentation à domicile - pour le moment !

Des astuces:

Utilisez une petite boule d'argile plastiline pour coller le séparateur de faisceau sur la planche à pain et pour maintenir la diode laser en place.
Utilisez des gants en coton pour éviter de salir les optiques.
Couvrir l'appareil lorsqu'il est utilisé.

Le problème des photons

Pour cette conception, nous sommes en mesure d'utiliser une impulsion laser qui contient des trillions de photons, en mesurant simplement les deux "modes" et en comparant le décalage de tension, nous pouvons facilement déterminer si le qubit effondré doit produire un 1 ou un 0, mais pour plus avancé conceptions qui impliquent l'intrication quantique (où le réel puissance en informatique quantique), nous devons utiliser ce que l'on appelle des sources à photon unique.

Malheureusement, la création fiable d'un seul photon n'est pas si simple que cela ; le même hasard quantique qui nous promet des capacités dépassant de loin celles des ordinateurs numériques régit également la création de photons, et pour cette raison, il n'y a pas encore de source de photon unique idéale sur le marché pour que nous puissions en profiter, bien qu'il y ait eu des recherches prometteuses. avec des nano-diamants qui pourraient encore ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques commerciaux abordables.

Cela dit, en utilisant l'atténuation laser, il est concevable pour un amateur de créer une source de photon unique assez fiable (sinon idéale) à utiliser à ses propres fins, mais ce n'est pas parfait et comporte son propre ensemble de défis.

Création d'états intriqués

L'intrication est un problème encore plus important auquel les bricoleurs seront confrontés lors de la construction de leurs propres circuits quantiques optiques, après tout, les photons n'interagissent pas les uns avec les autres ! Comment peuvent-ils s'emmêler ? Mais les mêmes génies (sérieusement, des génies) qui ont créé le protocole KLM ont également découvert un moyen d'utiliser des composants optiques simples pour enchevêtrer des photons à l'aide de portes à décalage de signe non linéaires et, je sais que cela ressemble à de la science-fiction : la téléportation, dont aucune ne sera Je fais semblant de complètement grok. Je vous renvoie plutôt vers la page Wikipedia sur le protocole KLM si vous souhaitez en savoir plus à ce sujet. C'est quelque chose sur lequel je travaille moi-même dans mon propre magasin à domicile mais que je n'ai pas encore pu réaliser

Informatique quantique open source

Ma fascination pour l'informatique quantique qui m'a poussé à construire mon propre ordinateur quantique m'a également poussé à lancer Spooky Manufacturing, une startup d'informatique quantique open source.

Nous hébergeons actuellement un github avec des instructions de construction complètes, des schémas et des logiciels pour que les amateurs d'informatique quantique puissent en profiter librement (tous sous licence open source GPLv3).

J'aimerais vous inviter tous à découvrir nos autres projets également, nous avons quelques outils gratuits en préparation tels que :

QEDA : logiciel d'automatisation de conception de circuits optiques
QController : logiciel de test pour circuits quantiques

Nous espérons que ces outils rendront la conception, la construction et la programmation d'ordinateurs et de circuits quantiques DIY aussi faciles et amusants que l'Arduino ou le Raspberry Pi.

Cet article est exact et fidèle au meilleur de la connaissance de l'auteur. Le contenu est uniquement à des fins d'information ou de divertissement et ne remplace pas un conseil personnel ou un conseil professionnel en matière commerciale, financière, juridique ou technique.

Noah G Wood (auteur) des États-Unis d'Amérique le 29 octobre 2020 :

Cela me semble vrai, mais s'il y a des problèmes que vous pouvez trouver, j'aimerais en entendre parler 🙂

Ali le 10 juillet 2020 :

ce circuit n'est pas vrai