Κβαντική πληροφορική για το εργοστασιακό πάτωμα

Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν την υπόσχεση επίλυσης προβλημάτων που οι κλασικοί υπολογιστές απλά δεν μπορούν να χειριστούν. Θεωρητικά. Στην πράξη, ωστόσο, είναι απίστευτα ευαίσθητα: Ένα φορτηγό που περνά, ένα ξαφνικό βουητό από τον κλιματισμό ή ακόμα και ένα φως που ανάβει σε ένα παρακείμενο δωμάτιο μπορεί να προκαλέσει ευαισθησία στο σύστημα σε περιβαλλοντικές αλλαγές. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτές οι συσκευές έχουν μέχρι στιγμής περιοριστεί σε εξαιρετικά εξειδικευμένα εργαστήρια, θωρακισμένα όπως οι ασθενείς στην εντατική θεραπεία. Για τις εταιρείες που στοχεύουν στην ενσωμάτωση κβαντικών υπολογιστών σε παραγωγικά περιβάλλοντα, αυτό αποτελεί σημαντική πρόκληση.

Η Hila Safi, μαζί με τους συναδέλφους της, πρωτοστάτησε σε μια πρωτοποριακή λύση σε αυτό το πρόβλημα, κερδίζοντας της το Βραβείο Εφευρέτη της Χρονιάς 2025 στην κατηγορία «PhD». Η καινοτομία τους είναι ένα ψηφιακό δίδυμο Σχεδιασμένο για να προσομοιώνει με ακρίβεια τον τρόπο λειτουργίας ενός κβαντικού υπολογιστή και να ενσωματωθεί σε ένα τυπικό βιομηχανικό περιβάλλον. «Με αυτό το ψηφιακό δίδυμο, μπορούμε να λειτουργήσουμε κβαντικούς υπολογιστές σε πραγματικά περιβάλλοντα - με ασφάλεια, σταθερότητα και αξιοπιστία», εξηγεί ο υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών του Ρέγκενσμπουργκ.

Το πρόβλημα: Πολύ ευαίσθητο για τον πραγματικό κόσμο

Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε κουμπιτ - τις θεμελιώδεις κβαντομηχανικές μονάδες πληροφοριών. Ένα qubit αντιπροσωπεύει την κατάσταση ενός φυσικού συστήματος, ενεργώντας ως φορέας πληροφοριών και αξιοποιώντας κβαντικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή.

Αυτές οι φυσικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά εύθραυστες. Ακόμη και ελάχιστες διαταραχές, όπως ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή λεπτές αλλαγές στη δομή του δωματίου, μπορούν να καταστρέψουν τους υπολογισμούς. Ενώ είναι διαχειρίσιμοι σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον, αυτοί οι παράγοντες αποτελούν σημαντική πρόκληση σε ένα εργοστασιακό πάτωμα.

«Η αξιόπιστη λειτουργία ενός κβαντικού υπολογιστή εξαρτάται πραγματικά από το περιβάλλον του», εξηγεί ο Safi. «Ακόμη και μικρές δονήσεις ή αλλαγές θερμοκρασίας μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα, γι 'αυτό είναι τόσο σημαντικό να προσομοιώσουμε και να κατανοήσουμε αυτά τα αποτελέσματα νωρίς». Μέχρι τώρα, η βιομηχανία δεν έχει βρει αρκετά αξιόπιστα κβαντικά συστήματα. Χωρίς ισχυρά και προβλέψιμα αποτελέσματα, η χρήση τους στην επιχείρηση είναι πολύ επικίνδυνη. Πολλές ερωτήσεις σχετικά με το πού να τα τοποθετήσετε, πόσο σταθερά θα είναι και η συνολική χρησιμότητά τους καθιστούν δύσκολο για τις εταιρείες να αποφασίσουν εάν και πού να επενδύσουν.

Η λύση: προσομοιώστε πρώτα, στη συνέχεια εγκαταστήστε

Αυτό ακριβώς είναι όπου το καινοτόμο ψηφιακό δίδυμο της Safi προσφέρει μια σημαντική ανακάλυψη. Αναπαράγει ουσιαστικά έναν κβαντικό υπολογιστή και το προβλεπόμενο λειτουργικό περιβάλλον πριν από τη φυσική εγκατάσταση. Το μοντέλο ενσωματώνει δεδομένα από περιβαλλοντικούς αισθητήρες, στατιστικά σφάλματος και προσομοιώσεις πιθανών πηγών παρεμβολών με τα γνωστά χαρακτηριστικά υλικού.

Αυτή η προληπτική προσέγγιση επιτρέπει την εκ των προτέρων απάντηση κρίσιμων ερωτήσεων: Μπορεί ο κβαντικός υπολογιστής να λειτουργήσει αποτελεσματικά στο βιομηχανικό περιβάλλον; Τι είδους σφάλματα αναμένονται; Πόσο σημαντικά θα υποβαθμίσουν την ποιότητα των υπολογιστών; Και ποια μέτρα, όπως ενισχυμένη θωράκιση, εναλλακτική τοποθέτηση ή προσαρμοστική βαθμονόμηση, θα απαιτούνταν για τη σταθεροποίηση του συστήματος;

Για παράδειγμα, εξετάστε μια αίθουσα παραγωγής όπου χρησιμοποιούνται ρομπότ μεταφοράς, τα εργοστάσια παραγωγής παράγουν δονήσεις και οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας δημιουργούν πεδία ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Το ψηφιακό δίδυμο προσομοιώνει την ακριβή επίδραση αυτών των παραγόντων στη σταθερότητα του qubit, αποκαλύπτοντας πού τα ποσοστά σφάλματος θα ήταν ανεκτά και, κυρίως, πού όχι. Επιπλέον, το δίδυμο παραμένει ενεργό κατά τη λειτουργία: Σε περίπτωση αλλαγής του περιβάλλοντος λόγω δομικών τροποποιήσεων ή εισαγωγής νέων μηχανημάτων, οι αισθητήρες θα ανιχνεύσουν αυτές τις αλλαγές και θα αξιολογήσουν τις πιθανές επιπτώσεις τους.

Το όφελος: Ο κβαντικός υπολογισμός γίνεται προβλέψιμος

Χάρη στο ψηφιακό δίδυμο, οι εταιρείες έχουν τελικά αξιόπιστα δεδομένα για να καθοδηγήσουν τις αποφάσεις τους σχετικά με τη βιομηχανική κβαντική πληροφορική. Μπορούν τώρα να αξιολογήσουν πλήρως τους κινδύνους προτού επενδύσουν πολλά χρήματα και να κατανοήσουν σαφώς τι χρειάζεται για να λειτουργήσει το σύστημα σταθερά.

Όπως εξηγεί ο Safi, «Στην έρευνά μου, διερευνούσα τη συν-ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων και υλικού για την αντιμετώπιση σύνθετων βελτιστοποιήσεων και βιομηχανικών προκλήσεων που είναι είτε δυσεπίλυτες είτε εξαιρετικά αναποτελεσματικές για τις κλασικές μεθόδους. Αυτό περιλαμβάνει τον εντοπισμό κατηγοριών προβλημάτων που είναι μοναδικά κατάλληλες για κβαντικές υπολογιστές και την ανάπτυξη αποτελεσματικών προσεγγίσεων μοντελοποίησης».

Το ψηφιακό δίδυμό της γεφυρώνει αποτελεσματικά το κρίσιμο χάσμα μεταξύ θεωρητικής έρευνας και πρακτικής εφαρμογής. Για να μπορέσουν οι κβαντικοί υπολογιστές να μετακινηθούν επιτυχώς από εξειδικευμένα εργαστήρια και να μεταφερθούν σε πραγματικά βιομηχανικά περιβάλλοντα, πρέπει να γίνουν εξίσου σταθεροί, επεκτάσιμοι και αξιόπιστοι με τα συστήματα πληροφορικής που χρησιμοποιούμε καθημερινά.