Kvantové výpočty pro tovární podlahu

Kvantové počítače slibují řešení problémů, které klasické počítače prostě nezvládnou. Teoreticky. V praxi jsou však neuvěřitelně choulostivé: projíždějící nákladní vůz, náhlé hučení z klimatizace nebo dokonce rozsvícené světlo v sousední místnosti může způsobit, že systém citlivě reaguje na změny prostředí. Proto byla tato zařízení dosud omezena na vysoce specializované laboratoře, chráněné jako pacienti v intenzivní péči. Pro společnosti, které usilují o integraci kvantových počítačů do produktivního prostředí, to představuje významnou výzvu.

Hila Safi spolu se svými kolegy byla průkopníkem průkopnického řešení tohoto problému a vynesla jí cenu Vynálezce roku 2025 v kategorii „PhD“. Jejich inovace je digitální dvojče navržený tak, aby přesně simuloval, jak by kvantový počítač fungoval, a byl integrován do typického průmyslového prostředí. „S tímto digitálním dvojčatem můžeme provozovat kvantové počítače v reálném prostředí - bezpečně, stabilně a spolehlivě,“ vysvětluje doktorand na Univerzitě aplikovaných věd v Řezně.

Problém: Příliš citlivý na skutečný svět

Kvantové počítače se spoléhají na qubits - základní kvantově mechanické jednotky informace. Qubit představuje stav fyzického systému, působí jako nosič informací a využívá kvantové jevy, jako je superpozice a zapletení.

Tyto fyzické stavy jsou mimořádně křehké. Dokonce i minimální rušení, jako jsou elektromagnetická pole nebo jemné změny ve struktuře místnosti, mohou narušit výpočty. I když jsou tyto faktory zvládnutelné v kontrolovaném laboratorním prostředí, představují v továrně významnou výzvu.

„Spolehlivý provoz kvantového počítače skutečně závisí na jeho okolí,“ vysvětluje Safi. „I malé vibrace nebo změny teploty mohou způsobit chyby, a proto je tak důležité simulovat a porozumět těmto účinkům brzy.“ Až dosud průmysl nenašel kvantové systémy dostatečně spolehlivé. Bez silných a předvídatelných výsledků je jejich použití v podnikání příliš riskantní. Mnoho otázek o tom, kam je umístit, jak stabilní budou a jejich celková užitečnost ztěžuje společnostem rozhodování, zda a kam investovat.

Řešení: nejprve simulujte a poté nainstalujte

Právě zde nabízí inovativní digitální dvojče Safi průlom. Prakticky replikuje kvantový počítač a jeho zamýšlené operační prostředí před fyzickou instalací. Model integruje data z environmentálních senzorů, statistiky chyb a simulace potenciálních zdrojů rušení se známými hardwarovými charakteristikami.

Tento proaktivní přístup umožňuje předem odpovědět na klíčové otázky: Může kvantový počítač efektivně fungovat v průmyslovém prostředí? Jaké typy chyb se očekávají? Jak výrazně by snížili kvalitu výpočetní techniky? A jaká opatření, jako je vylepšené stínění, alternativní umístění nebo adaptivní kalibrace, by byla nutná ke stabilizaci systému?

Zvažte například výrobní halu, kde se používají dopravní roboty, výrobní závody generují vibrace a elektrické vedení vytváří elektromagnetická interferenční pole. Digitální dvojče simuluje přesný dopad těchto faktorů na stabilitu qubitů a odhaluje, kde by chybovost byla přijatelná a co je nejdůležitější, kde by nebyla. Kromě toho zůstává dvojče aktivní během provozu: Pokud se prostředí změní v důsledku konstrukčních úprav nebo zavedení nového strojního zařízení, senzory tyto změny detekují a vyhodnotí jejich potenciální dopad.

Výhoda: Kvantové výpočty se stávají předvídatelnými

Díky digitálnímu dvojčeti mají společnosti konečně spolehlivá data, která řídí jejich rozhodnutí o průmyslových kvantových výpočtech. Nyní mohou plně posoudit rizika, než investují spoustu peněz a jasně pochopí, co je potřeba, aby systém fungoval stabilně.

Jak vysvětluje Safi: „Ve svém výzkumu zkoumám společný vývoj kvantových algoritmů a hardwaru pro řešení složitých optimalizačních a průmyslových výzev, které jsou pro klasické metody buď neřešitelné, nebo vysoce neefektivní. To zahrnuje identifikaci tříd problémů jedinečně vhodných pro kvantové výpočty a vývoj efektivních přístupů k modelování.“

Její digitální dvojče účinně překlenuje kritickou propast mezi teoretickým výzkumem a praktickou aplikací. Aby se kvantové počítače úspěšně přesunuly ze specializovaných laboratoří do reálného průmyslového prostředí, musí se stát stejně stabilními, škálovatelnými a spolehlivými jako IT systémy, které používáme každý den.