Kvantu skaitļošana rūpnīcas grīdai

Kvantu datori sola risināt problēmas, ar kurām klasiskie datori vienkārši nespēj tikt galā. Teorētiski. Tomēr praksē tie ir neticami delikāti: garāmbraucoša kravas automašīna, pēkšņa dūņošana no gaisa kondicionēšanas vai pat gaisma, kas tiek ieslēgta blakus esošajā telpā, var likt sistēmai jutīgi reaģēt uz vides izmaiņām. Tāpēc šīs ierīces līdz šim ir bijušas aprobežotas ar augsti specializētām laboratorijām, kas ir aizsargātas kā pacienti intensīvajā terapijā. Uzņēmumiem, kas vēlas integrēt kvantu datorus produktīvā vidē, tas rada ievērojamu izaicinājumu.

Hila Safi kopā ar saviem kolēģiem ir radījusi revolucionāru šīs problēmas risinājumu, nopelnot viņai Gada izgudrotāja balvu 2025. gadā kategorijā “PhD”. Viņu jauninājumi ir digitālais dvīnis izstrādāts, lai precīzi simulētu kvantu datora darbību un integrētu tipiskā rūpnieciskā vidē. “Izmantojot šo digitālo dvīni, mēs varam droši, stabili un uzticami darbināt kvantu datorus reālā vidē,” skaidro Rēgensburgas Lietišķo zinātņu universitātes doktorants.

Problēma: pārāk jutīga reālajai pasaulei

Kvantu datori paļaujas uz kubiti — informācijas kvantu mehāniskās pamatvienības. Kubits attēlo fiziskās sistēmas stāvokli, darbojoties kā informācijas nesējs un izmantojot kvantu parādības, piemēram, superpozīciju un sapīšanos.

Šie fiziskie stāvokļi ir ārkārtīgi trausli. Pat minimāli traucējumi, piemēram, elektromagnētiskie lauki vai smalkas telpas struktūras izmaiņas, var sabojāt aprēķinus. Lai gan šie faktori ir vadāmi kontrolētā laboratorijas vidē, tie rūpnīcas grīdā rada ievērojamu izaicinājumu.

“Kvantu datora uzticama darbība patiešām ir atkarīga no tā apkārtnes,” skaidro Safi. “Pat nelielas vibrācijas vai temperatūras izmaiņas var izraisīt kļūdas, tāpēc ir tik svarīgi simulēt un saprast šīs sekas jau agri.” Līdz šim nozare nav atradusi kvantu sistēmas pietiekami uzticamas. Bez spēcīgiem un paredzamiem rezultātiem to izmantošana biznesā ir pārāk riskanta. Daudzi jautājumi par to, kur tos novietot, cik stabili tie būs un to vispārējo lietderību, uzņēmumiem ir grūti izlemt, vai un kur ieguldīt.

Risinājums: vispirms simulējiet, pēc tam instalējiet

Tieši šeit Safi inovatīvais digitālais dvīnis piedāvā izrāvienu. Tas praktiski atkārto kvantu datoru un tā paredzēto darbības vidi pirms fiziskās instalēšanas. Modelis integrē datus no vides sensoriem, kļūdu statistiku un iespējamo traucējumu avotu simulācijas ar zināmajām aparatūras īpašībām.

Šī proaktīvā pieeja ļauj iepriekš atbildēt uz svarīgiem jautājumiem: vai kvantu dators var efektīvi darboties rūpnieciskajā vidē? Kāda veida kļūdas ir paredzamas? Cik ievērojami tie pasliktinātu skaitļošanas kvalitāti? Un kādi pasākumi, piemēram, uzlabota ekranēšana, alternatīva izvietošana vai adaptīvā kalibrēšana, būtu nepieciešami, lai stabilizētu sistēmu?

Piemēram, apsveriet ražošanas zāli, kurā tiek izmantoti transporta roboti, ražotnes rada vibrācijas un elektrolīnijas rada elektromagnētiskos traucējumus. Digitālais dvīnis simulē šo faktoru precīzu ietekmi uz kubita stabilitāti, atklājot, kur kļūdu līmenis būtu pieļaujams un, pats galvenais, kur tie nebūtu. Turklāt dvīņi darbības laikā paliek aktīvi: ja vide mainās konstrukciju modifikāciju vai jaunu mašīnu ieviešanas dēļ, sensori atklās šīs izmaiņas un novērtēs to iespējamo ietekmi.

Ieguvums: kvantu skaitļošana kļūst paredzama

Pateicoties digitālajam dvīnim, uzņēmumiem beidzot ir ticami dati, lai vadītu savus lēmumus par rūpniecisko kvantu skaitļošanu. Tagad viņi var pilnībā novērtēt riskus pirms daudz naudas ieguldīšanas un skaidri saprast, kas nepieciešams, lai sistēma darbotos stabili.

Kā skaidro Safi: “Savā pētījumā es pētu kvantu algoritmu un aparatūras kopīgu izstrādi, lai risinātu sarežģītas optimizācijas un rūpnieciskas problēmas, kas klasiskajām metodēm ir vai nu neatrisināmas, vai ļoti neefektīvas. Tas ietver problēmu klašu identificēšanu, kas ir unikāli piemērotas kvantu skaitļošanai, un efektīvu modelēšanas pieeju izstrādi.”

Viņas digitālais dvīnis efektīvi pārvar kritisko plaisu starp teorētisko pētījumu un praktisko pielietojumu. Lai kvantu datori varētu veiksmīgi pārvietoties no specializētām laboratorijām uz reālu rūpniecisko vidi, tiem ir jākļūst tikpat stabiliem, mērogojamiem un uzticamiem kā IT sistēmām, kuras mēs izmantojam katru dienu.