Kvantinis skaičiavimas gamyklos aukštuose

Kvantiniai kompiuteriai žada išspręsti problemas, kurių klasikiniai kompiuteriai tiesiog negali išspręsti. Teoriškai. Tačiau praktikoje jie yra nepaprastai subtilūs: pravažiuojantis sunkvežimis, staigus oro kondicionieriaus dūzgimas ar net gretimoje patalpoje įjungta šviesa gali sukelti sistemą jautriai reaguoti į aplinkos pokyčius. Štai kodėl šie prietaisai iki šiol apsiribojo labai specializuotomis laboratorijomis, ekranizuotomis kaip intensyviosios terapijos pacientai. Įmonėms, siekiančioms integruoti kvantinius kompiuterius į produktyvią aplinką, tai kelia didelį iššūkį.

Hila Safi kartu su kolegomis sukūrė novatorišką šios problemos sprendimą, pelnydama Metų išradėjo apdovanojimą 2025 m. “PhD” kategorijoje. Jų naujovė yra skaitmeninis dvynys skirtas tiksliai imituoti, kaip kvantinis kompiuteris veiktų ir būtų integruotas į tipišką pramoninę aplinką. “Su šiuo skaitmeniniu dvyniu galime valdyti kvantinius kompiuterius realioje aplinkoje — saugiai, stabiliai ir patikimai”, — aiškina Regensburgo taikomųjų mokslų universiteto doktorantas.

Problema: pernelyg jautri realiam pasauliui

Kvantiniai kompiuteriai remiasi kubitai — pagrindiniai kvantiniai mechaniniai informacijos vienetai. Kubitas atspindi fizinės sistemos būseną, veikiančią kaip informacijos nešiklį ir pasitelkdamas kvantinius reiškinius, tokius kaip superpozicija ir įsipainiojimas.

Šios fizinės būsenos yra nepaprastai trapios. Net minimalūs trikdžiai, tokie kaip elektromagnetiniai laukai ar subtilūs kambario struktūros pokyčiai, gali sugadinti skaičiavimus. Nors šie veiksniai yra valdomi kontroliuojamoje laboratorijos aplinkoje, jie kelia didelį iššūkį gamyklos aukšte.

“Patikimas kvantinio kompiuterio veikimas tikrai priklauso nuo jo aplinkos”, - aiškina Safi. “Net mažos vibracijos ar temperatūros pokyčiai gali sukelti klaidų, todėl taip svarbu anksti imituoti ir suprasti šiuos efektus”. Iki šiol pramonė nerado pakankamai patikimų kvantinių sistemų. Be stiprių ir nuspėjamų rezultatų, jų naudojimas versle yra pernelyg rizikingas. Daugybė klausimų apie tai, kur juos dėti, kiek jie bus stabilūs ir bendras jų naudingumas, įmonėms sunku nuspręsti, ar ir kur investuoti.

Sprendimas: pirmiausia imituokite, tada įdiekite

Būtent čia naujoviškas “Safi” skaitmeninis dvynys siūlo proveržį. Jis praktiškai atkartoja kvantinį kompiuterį ir jo numatytą veikimo aplinką prieš fizinį diegimą. Modelis integruoja aplinkos jutiklių duomenis, klaidų statistiką ir galimų trukdžių šaltinių modeliavimą su žinomomis aparatinės įrangos charakteristikomis.

Šis iniciatyvus požiūris leidžia iš anksto atsakyti į svarbiausius klausimus: ar kvantinis kompiuteris gali efektyviai veikti pramoninėje aplinkoje? Kokios klaidos numatomos? Kaip jie smarkiai pablogintų skaičiavimo kokybę? O kokių priemonių, tokių kaip sustiprintas ekranavimas, alternatyvus išdėstymas ar adaptyvus kalibravimas, būtų reikalingos sistemai stabilizuoti?

Pavyzdžiui, apsvarstykite gamybos salę, kurioje naudojami transporto robotai, gamybos įmonės generuoja vibracijas, o elektros linijos sukuria elektromagnetinius trukdžių laukus. Skaitmeninis dvynys imituoja tikslų šių veiksnių poveikį kubitų stabilumui, atskleisdamas, kur klaidų lygis būtų toleruojamas, o svarbiausia, kur ne. Be to, dvynys eksploatacijos metu išlieka aktyvus: jei aplinka pasikeistų dėl konstrukcijų modifikacijų ar naujų mašinų įdiegimo, jutikliai aptiks šiuos pokyčius ir įvertins galimą jų poveikį.

Nauda: kvantinis skaičiavimas tampa nuspėjamas

Skaitmeninio dvynio dėka įmonės pagaliau turi patikimų duomenų, kuriais vadovaujasi savo sprendimais dėl pramoninio kvantinio skaičiavimo. Dabar jie gali visiškai įvertinti riziką prieš investuodami daug pinigų ir aiškiai suprasdami, ko reikia, kad sistema veiktų stabiliai.

Kaip aiškina Safi: “Savo tyrimuose aš tiriu bendrą kvantinių algoritmų ir aparatinės įrangos kūrimą, siekiant išspręsti sudėtingus optimizavimo ir pramoninius iššūkius, kurie yra neišsprendžiami arba labai neefektyvūs klasikiniams metodams. Tai apima probleminių klasių, unikaliai tinkamų kvantiniam skaičiavimui, nustatymą ir efektyvių modeliavimo metodų kūrimą.”

Jos skaitmeninis dvynys veiksmingai pašalina kritinį atotrūkį tarp teorinių tyrimų ir praktinio taikymo. Kad kvantiniai kompiuteriai sėkmingai išeitų iš specializuotų laboratorijų ir patektų į realią pramoninę aplinką, jie turi tapti tokie pat stabilūs, keičiami ir patikimi kaip IT sistemos, kurias naudojame kiekvieną dieną.