Kvanteberegning for fabrikkgulvet

Kvantecomputere har løftet om å løse problemer som klassiske datamaskiner rett og slett ikke kan håndtere. I teorien. I praksis er de imidlertid utrolig delikate: En forbipasserende lastebil, en plutselig brum fra klimaanlegget eller til og med et lys som slås på i et tilstøtende rom kan føre til at systemet reagerer følsomt på miljøendringer. Derfor har disse enhetene hittil vært begrenset til høyt spesialiserte laboratorier, skjermet som pasienter på intensivbehandling. For selskaper som har som mål å integrere kvantedatamaskiner i produktive miljøer, utgjør dette en betydelig utfordring.

Hila Safi, sammen med sine kolleger, har vært banebrytende for en banebrytende løsning på dette problemet, og ga henne prisen Årets oppfinner 2025 i kategorien «PhD». Innovasjonen er en digital tvilling designet for å simulere nøyaktig hvordan en kvantecomputer ville fungere og bli integrert i en typisk industriell setting. «Med denne digitale tvillingen kan vi betjene kvantedatamaskiner i virkelige miljøer - trygt, stabilt og pålitelig,» forklarer doktorgradskandidaten ved Regensburg University of Applied Sciences.

Problemet: For følsom for den virkelige verden

Kvantedatamaskiner er avhengige av qubits - de grunnleggende kvantemekaniske informasjonsenhetene. En qubit representerer et fysisk systems tilstand, fungerer som en informasjonsbærer og utnytter kvantefenomener som superposisjon og forvikling.

Disse fysiske tilstandene er ekstremt skjøre. Selv minimale forstyrrelser, for eksempel elektromagnetiske felt eller subtile endringer i romstrukturen, kan ødelegge beregninger. Selv om disse faktorene er håndterbare i et kontrollert laboratoriemiljø, utgjør disse faktorene en betydelig utfordring på fabrikkgulvet.

«En kvantecomputers pålitelige drift avhenger virkelig av omgivelsene,» forklarer Safi. «Selv små vibrasjoner eller temperaturendringer kan forårsake feil, og det er derfor det er så viktig å simulere og forstå disse effektene tidlig.» Inntil nå har industrien ikke funnet kvantesystemer pålitelige nok. Uten sterke og forutsigbare resultater er bruken av dem i virksomheten for risikabelt. Mange spørsmål om hvor de skal plasseres, hvor stabile de vil være og deres generelle nytte gjør det vanskelig for selskaper å bestemme om og hvor de skal investere.

Løsningen: simulere først, installer deretter

Det er nettopp her Safis innovative digitale tvilling gir et gjennombrudd. Den replikerer praktisk talt en kvantecomputer og det tiltenkte driftsmiljøet før fysisk installasjon. Modellen integrerer data fra miljøsensorer, feilstatistikk og simuleringer av potensielle interferenskilder med kjente maskinvareegenskaper.

Denne proaktive tilnærmingen gjør det mulig å besvare viktige spørsmål på forhånd: Kan kvantecomputeren fungere effektivt i det industrielle miljøet? Hvilke typer feil forventes? Hvor betydelig ville de forringe datakvaliteten? Og hvilke tiltak, for eksempel forbedret skjerming, alternativ plassering eller adaptiv kalibrering, vil være nødvendig for å stabilisere systemet?

Tenk for eksempel på en produksjonshall der transportroboter er i bruk, produksjonsanlegg genererer vibrasjoner og kraftledninger skaper elektromagnetiske interferensfelt. Den digitale tvillingen simulerer den nøyaktige effekten av disse faktorene på qubit-stabilitet, og avslører hvor feilrater ville være tålelige og, avgjørende, hvor de ikke ville gjort det. Videre forblir tvillingen aktiv under drift: Skulle miljøet endres på grunn av strukturelle modifikasjoner eller innføring av nytt maskineri, vil sensorer oppdage disse endringene og vurdere deres potensielle innvirkning.

Fordelen: Quantum computing blir forutsigbar

Takket være den digitale tvillingen har selskaper endelig pålitelige data for å veilede sine beslutninger om industriell kvanteberegning. De kan nå fullt ut vurdere risikoen før de investerer mye penger og tydelig forstår hva som trengs for å få systemet til å fungere stabilt.

Som Safi forklarer, «I min forskning utforsker jeg samutvikling av kvantealgoritmer og maskinvare for å takle kompleks optimalisering og industrielle utfordringer som enten er uhåndterlige eller svært ineffektive for klassiske metoder. Dette innebærer å identifisere problemklasser som er unikt egnet for kvanteberegning og utvikle effektive modelleringsmetoder.

Hennes digitale tvilling bygger effektivt bro over det kritiske gapet mellom teoretisk forskning og praktisk anvendelse. For at kvantecomputere skal kunne flytte ut av spesialiserte laboratorier og inn i virkelige industrielle miljøer, må de bli like stabile, skalerbare og pålitelige som IT-systemene vi bruker hver dag.