Kvanteberegning til fabriksgulvet

Kvantecomputere har løftet om at løse problemer, som klassiske computere simpelthen ikke kan håndtere. I teorien. I praksis er de dog utroligt sarte: En forbipasserende lastbil, en pludselig brummen fra klimaanlægget eller endda et lys, der tændes i et tilstødende rum, kan få systemet til at reagere følsomt på miljøændringer. Derfor har disse enheder hidtil været begrænset til højt specialiserede laboratorier, afskærmet som patienter i intensiv pleje. For virksomheder, der sigter mod at integrere kvantecomputere i produktive miljøer, udgør dette en betydelig udfordring.

Hila Safi har sammen med sine kolleger været banebrydende for en banebrydende løsning på dette problem og har givet hende prisen Årets Opfinder 2025 i kategorien „PhD“. Innovationen er en digital tvilling designet til at simulere nøjagtigt, hvordan en kvantecomputer ville fungere og blive integreret i en typisk industriel ramme. „Med denne digitale tvilling kan vi betjene kvantecomputere i virkelige miljøer - sikkert, stabilt og pålideligt,“ forklarer ph.d.-kandidaten ved Regensburg University of Applied Sciences.

Problemet: For følsom til den virkelige verden

Kvantecomputere er afhængige af qubits - de grundlæggende kvantemekaniske informationsenheder. En qubit repræsenterer et fysisk systems tilstand, fungerer som en informationsbærer og udnytter kvantefænomener som superposition og forvikling.

Disse fysiske tilstande er yderst skrøbelige. Selv minimale forstyrrelser, såsom elektromagnetiske felter eller subtile ændringer i rumstrukturen, kan ødelægge beregningerne. Selvom disse faktorer kan håndteres i et kontrolleret laboratoriemiljø, udgør de en betydelig udfordring på et fabriksgulv.

„En kvantecomputer pålidelig drift afhænger virkelig af dens omgivelser,“ forklarer Safi. „Selv små vibrationer eller temperaturændringer kan forårsage fejl, hvorfor det er så vigtigt at simulere og forstå disse effekter tidligt.“ Indtil nu har industrien ikke fundet kvantesystemer pålidelige nok. Uden stærke og forudsigelige resultater er deres anvendelse i erhvervslivet for risikabelt. Mange spørgsmål om, hvor de skal placeres, hvor stabile de vil være og deres samlede anvendelighed gør det svært for virksomheder at beslutte, om og hvor de skal investere.

Løsningen: simulere først, og installer derefter

Det er netop her Safis innovative digitale tvilling giver et gennembrud. Det replikerer praktisk talt en kvantecomputer og dets tilsigtede driftsmiljø før fysisk installation. Modellen integrerer data fra miljøsensorer, fejlstatistikker og simuleringer af potentielle interferenskilder med de kendte hardwareegenskaber.

Denne proaktive tilgang gør det muligt at besvare vigtige spørgsmål på forhånd: Kan kvantecomputeren fungere effektivt i det industrielle miljø? Hvilke typer fejl forventes? Hvor markant ville de forringe computerkvaliteten? Og hvilke foranstaltninger, såsom forbedret afskærmning, alternativ placering eller adaptiv kalibrering, ville være nødvendige for at stabilisere systemet?

Overvej for eksempel en produktionshal, hvor transportrobotter er i brug, produktionsanlæg genererer vibrationer, og kraftledninger skaber elektromagnetiske interferensfelter. Den digitale tvilling simulerer den nøjagtige indvirkning af disse faktorer på qubit-stabilitet og afslører, hvor fejlrater ville være tolerable og, afgørende, hvor de ikke ville. Desuden forbliver tvillingen aktiv under drift: Hvis miljøet ændres på grund af strukturelle ændringer eller introduktion af nye maskiner, registrerer sensorerne disse ændringer og vurderer deres potentielle indvirkning.

Fordelen: Quantum computing bliver forudsigelig

Takket være den digitale tvilling har virksomheder endelig pålidelige data til at styre deres beslutninger om industriel kvanteberegning. De kan nu fuldt ud vurdere risiciene, før de investerer en masse penge og klart forstår, hvad der er nødvendigt for at få systemet til at fungere stabilt.

Som Safi forklarer, „I min forskning undersøger jeg co-udviklingen af kvantealgoritmer og hardware for at tackle kompleks optimering og industrielle udfordringer, der enten er uhåndterlige eller meget ineffektive for klassiske metoder. Dette indebærer at identificere problemklasser, der er unikt egnede til kvanteberegning og udvikling af effektive modelleringsmetoder.“

Hendes digitale tvilling bygger effektivt bro over den kritiske kløft mellem teoretisk forskning og praktisk anvendelse. For at kvantecomputere med succes kan flytte ud af specialiserede laboratorier og ind i virkelige industrielle miljøer, skal de blive lige så stabile, skalerbare og pålidelige som de it-systemer, vi bruger hver dag.