Kvantarvutus tehase põrandale

Kvantarvutitel on lubadus lahendada probleeme, millega klassikalised arvutid lihtsalt hakkama ei suuda. Teoreetiliselt. Praktikas on need aga uskumatult õrnad: mööduv veok, kliimaseadme äkiline sumin või isegi külgnevas ruumis sisselülitatav tuli võivad põhjustada süsteemi tundliku reageerimise keskkonnamuutustele. Sellepärast on need seadmed seni piirdunud kõrgelt spetsialiseeritud laboritega, mis on varjestatud nagu intensiivravi patsiendid. Ettevõtete jaoks, kes soovivad integreerida kvantarvutid tootlikesse keskkondadesse, kujutab see endast olulist väljakutset.

Hila Safi on koos kolleegidega olnud selle probleemi murrangulise lahenduse teerajaja, teenides talle aasta leiutaja auhinna 2025 kategoorias „PhD”. Nende uuenduslikkus on digitaalne kaksik loodud selleks, et simuleerida täpselt, kuidas kvantarvuti toimiks ja integreeritakse tüüpilisse tööstuskeskkonda. „Selle digitaalse kaksikuga saame kasutada kvantarvuteid reaalses keskkonnas - ohutult, stabiilselt ja usaldusväärselt,” selgitab Regensburgi rakendusülikooli doktorant.

Probleem: Reaalse maailma jaoks liiga tundlik

Kvantarvutid tuginevad kubittid — teabe põhilised kvantmehaanilised üksused. Kubit tähistab füüsilise süsteemi olekut, toimides teabekandjana ja kasutades kvantnähtusi nagu superpositsioon ja takerdumine.

Need füüsilised seisundid on äärmiselt habras. Isegi minimaalsed häired, näiteks elektromagnetväljad või peened muutused ruumi struktuuris, võivad arvutusi rikkuda. Kuigi need tegurid on kontrollitud laborikeskkonnas juhitavad, kujutavad need tehasepõrandal märkimisväärset väljakutset.

„Kvantarvuti usaldusväärne töö sõltub tõesti selle ümbrusest,” selgitab Safi. „Isegi väikesed vibratsioonid või temperatuurimuutused võivad põhjustada vigu, mistõttu on nii oluline neid mõjusid varakult simuleerida ja mõista.” Seni pole tööstus leidnud kvantsüsteeme piisavalt usaldusväärseid. Ilma tugevate ja prognoositavate tulemusteta on nende kasutamine äris liiga riskantne. Paljud küsimused selle kohta, kuhu need paigutada, kui stabiilsed nad on ja nende üldine kasulikkus muudavad ettevõtetel raskeks otsustada, kas ja kuhu investeerida.

Lahendus: kõigepealt simuleerige, seejärel installige

Just siin pakub Safi uuenduslik digitaalne kaksik läbimurret. See kordab praktiliselt kvantarvutit ja selle kavandatud töökeskkonda enne füüsilist paigaldamist. Mudel integreerib keskkonnaandurite andmed, veastatistika ja potentsiaalsete häireallikate simulatsioonid teadaolevate riistvaraomadustega.

See ennetav lähenemine võimaldab eelnevalt vastata olulistele küsimustele: kas kvantarvuti võib tööstuskeskkonnas tõhusalt töötada? Milliseid vigu oodatakse? Kui oluliselt need arvutuskvaliteeti halvendaksid? Ja milliseid meetmeid, näiteks täiustatud varjestust, alternatiivset paigutust või adaptiivset kalibreerimist, oleks süsteemi stabiliseerimiseks vaja?

Mõelge näiteks tootmishallile, kus kasutatakse transpordiroboteid, tootmisettevõtted tekitavad vibratsiooni ja elektriliinid tekitavad elektromagnetilisi häirevälju. Digitaalne kaksik simuleerib nende tegurite täpset mõju qubiti stabiilsusele, paljastades, kus veamäärad oleksid talutavad ja mis kõige tähtsam, kus nad mitte. Lisaks jääb kaksik töötamise ajal aktiivseks: kui keskkond muutub struktuurimuudatuste või uute masinate kasutuselevõtu tõttu, tuvastavad andurid need muudatused ja hindavad nende võimalikku mõju.

Eelis: kvantarvutus muutub prognoositavaks

Tänu digitaalsele kaksikule on ettevõtetel lõpuks usaldusväärsed andmed, et suunata oma otsuseid tööstusliku kvantarvutuse kohta. Nüüd saavad nad riske täielikult hinnata enne palju raha investeerimist ja mõistma selgelt, mida on vaja süsteemi stabiilseks toimimiseks.

Nagu Safi selgitab: „Uurin oma uurimistöös kvantalgoritmide ja riistvara kaasarendamist, et lahendada keerulisi optimeerimise ja tööstuslikke väljakutseid, mis on klassikaliste meetodite jaoks kas lahendamatud või väga ebaefektiivsed. See hõlmab kvantarvutuse jaoks ainulaadselt sobivate probleemiklasside tuvastamist ja tõhusate modelleerimislähenemisviiside väljatöötamist.

Tema digitaalne kaksik ületab tõhusalt kriitilise lõhe teoreetiliste uuringute ja praktilise rakenduse vahel. Et kvantarvutid saaksid edukalt välja liikuda spetsialiseeritud laboritest reaalsesse tööstuskeskkonda, peavad nad muutuma sama stabiilseks, skaleeritavaks ja usaldusväärseks kui IT-süsteemid, mida me iga päev kasutame.