Квантовые вычисления для производственного цеха

Квантовые компьютеры обещают решить проблемы, с которыми классические компьютеры просто не справятся. Теоретически. Однако на практике они невероятно деликатны: проезжающий грузовик, внезапный гул кондиционера или даже включение света в соседнем помещении могут заставить систему чутко реагировать на изменения окружающей среды. Вот почему эти устройства до сих пор использовались только в узкоспециализированных лабораториях и требуют защиты, как и пациенты, находящиеся в реанимации. Для компаний, стремящихся интегрировать квантовые компьютеры в производственную среду, это представляет собой серьезную проблему.

Хила Сафи вместе со своими коллегами разработала новаторское решение этой проблемы, получив награду «Изобретатель года 2025» в категории «Доктор наук». Их инновация — это цифровой двойник, предназначенный для точного моделирования функционирования квантового компьютера и его интеграции в типичную промышленную среду. «Благодаря цифровому двойнику мы можем безопасно, стабильно и надежно управлять квантовыми компьютерами в реальных условиях», — объясняет докторант Регенсбургского университета прикладных наук.

Проблема: компьютеры слишком чувствительны для реального мира

Квантовые компьютеры полагаются на кубиты — фундаментальные квантово-механические единицы информации. Кубит представляет собой состояние физической системы, выступающее в качестве носителя информации и использующее квантовые явления, такие как суперпозиция и запутанность.

Эти физические состояния чрезвычайно хрупки. Даже минимальные помехи, такие как электромагнитные поля или незначительные изменения в структуре помещения, могут исказить расчеты. Несмотря на то, что с этими факторами можно справиться в контролируемой лабораторной среде, они представляют собой серьезную проблему в производственных цехах.

«Надежная работа квантового компьютера действительно зависит от окружающей среды», — объясняет Сафи. «Даже небольшие вибрации или изменения температуры могут привести к ошибкам, поэтому так важно смоделировать и изучить эти эффекты на раннем этапе». До сих пор отрасль не считала квантовые системы достаточно надежными. Без сильных и предсказуемых результатов их использование в бизнесе слишком рискованно. Вопросы о том, где их разместить, насколько они будут стабильными и в целом будут полезны, заставляют задуматься, стоит ли инвестировать и куда.

Решение: сначала смоделируйте, а затем установите

Именно здесь инновационный цифровой двойник Сафи предлагает прорыв. Он практически копирует квантовый компьютер и его предполагаемую операционную среду до физической установки. Модель объединяет данные датчиков окружающей среды, статистику ошибок и моделирование потенциальных источников помех с известными аппаратными характеристиками.

Такой упреждающий подход позволяет заранее ответить на важнейшие вопросы: может ли квантовый компьютер эффективно работать в промышленной среде? Какие типы ошибок ожидаются? Насколько сильно они ухудшат качество вычислений? И какие меры, такие как усиленное экранирование, альтернативное размещение или адаптивная калибровка, потребуются для стабилизации системы?

Например, рассмотрим производственный цех, где используются транспортные роботы, производственные предприятия генерируют вибрации, а линии электропередач создают поля электромагнитных помех. Цифровой двойник точно моделирует влияние этих факторов на стабильность кубитов, выявляя, где частота ошибок допустима, а где — нет. Кроме того, двойник остается активным во время работы: если окружающая среда изменится в результате структурных изменений или внедрения нового оборудования, датчики обнаружат эти изменения и оценят их потенциальное влияние.

Преимущество: квантовые вычисления становятся предсказуемыми

Благодаря цифровому двойнику компании наконец-то получили надежные данные для принятия решений в области промышленных квантовых вычислений. Теперь они могут полностью оценить риски, прежде чем вкладывать большие деньги, и четко понимать, что необходимо для стабильной работы системы.

Как объясняет Сафи: «В своем исследовании я изучаю возможность совместной разработки квантовых алгоритмов и аппаратного обеспечения для решения сложных задач оптимизации и промышленных задач, которые для классических методов либо трудноразрешимы, либо крайне неэффективны. Сюда входят определение классов задач, уникально подходящих для квантовых вычислений, и разработка эффективных подходов к моделированию».

Ее цифровой двойник эффективно устраняет критический разрыв между теоретическими исследованиями и практическим применением. Чтобы квантовые компьютеры могли успешно перейти из специализированных лабораторий в реальную промышленную среду, они должны стать такими же стабильными, масштабируемыми и надежными, как и IT-системы, которые мы используем каждый день.