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 zareaguje 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 výrobního prostředí, je to velká výzva.

Hila Safi spolu se svými kolegy byla průkopníkem novátorského řešení tohoto problému a vynesla jí cenu Vynálezkyně roku 2025 v kategorii „PhD“. Její inovace je digitální dvojče navržené tak, aby přesně simulovalo jak by kvantový počítač fungoval kdyby 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 pro skutečný svět

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

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 co nejdříve.“ 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 do čeho 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 snížily 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.