Kvantno računalništvo za tovarniško nadstropje

Kvantni računalniki obljubljajo reševanje problemov, ki jih klasični računalniki preprosto ne morejo obvladati. V teoriji. V praksi pa so neverjetno občutljivi: mimoidoči tovornjak, nenaden bruh iz klimatske naprave ali celo vklop luči v sosednjem prostoru lahko povzročijo, da se sistem občutljivo odzove na okoljske spremembe. Zato so bile te naprave doslej omejene na visoko specializirane laboratorije, zaščitene kot bolniki na intenzivni negi. Za podjetja, ki želijo vključiti kvantne računalnike v produktivna okolja, predstavlja to pomemben izziv.

Hila Safi je skupaj s svojimi sodelavci predstavila prelomno rešitev tega problema in ji prislužila nagrado Izumitelj leta 2025 v kategoriji »PhD«. Njihova inovacija je digitalni dvojček zasnovan tako, da natančno simulira, kako bi kvantni računalnik deloval in bil integriran v tipično industrijsko okolje. »S tem digitalnim dvojčkom lahko kvantne računalnike upravljamo v realnih okoljih - varno, stabilno in zanesljivo,« pojasnjuje doktorski kandidat na Univerzi za uporabne znanosti v Regensburgu.

Problem: Preveč občutljiv za resnični svet

Kvantni računalniki se zanašajo na kubitov — temeljne kvantno mehanske enote informacij. Kubit predstavlja stanje fizičnega sistema, deluje kot nosilec informacij in izkorišča kvantne pojave, kot sta superpozicija in zapletanje.

Ta fizična stanja so izjemno krhka. Tudi minimalne motnje, kot so elektromagnetna polja ali subtilne spremembe v strukturi prostora, lahko poškodujejo izračune. Čeprav so ti dejavniki obvladljivi v nadzorovanem laboratorijskem okolju, predstavljajo pomemben izziv v tovarniških tleh.

»Zanesljivo delovanje kvantnega računalnika je res odvisno od njegove okolice,« pojasnjuje Safi. »Tudi majhne vibracije ali temperaturne spremembe lahko povzročijo napake, zato je tako pomembno, da te učinke simuliramo in razumemo že zgodaj.« Do zdaj industrija ni našla dovolj zanesljivih kvantnih sistemov. Brez močnih in predvidljivih rezultatov je njihova uporaba v poslu preveč tvegana. Številna vprašanja o tem, kam jih postaviti, kako stabilni bodo in njihova splošna uporabnost, podjetjem otežujejo odločitev, ali in kam bodo vlagali.

Rešitev: najprej simulirajte, nato namestite

Prav tu ponuja inovativni digitalni dvojček Safi preboj. Praktično replicira kvantni računalnik in njegovo predvideno delovno okolje pred fizično namestitvijo. Model vključuje podatke iz okoljskih senzorjev, statistiko napak in simulacije potencialnih virov motenj z znanimi značilnostmi strojne opreme.

Ta proaktivni pristop omogoča vnaprej odgovoriti na ključna vprašanja: Ali lahko kvantni računalnik učinkovito deluje v industrijskem okolju? Katere vrste napak se predvidevajo? Kako pomembno bi poslabšali kakovost računalništva? In kateri ukrepi, kot so izboljšana zaščita, alternativna namestitev ali prilagodljiva kalibracija, bi bili potrebni za stabilizacijo sistema?

Razmislite na primer o proizvodni hali, kjer se uporabljajo transportni roboti, proizvodni obrati ustvarjajo vibracije, daljnovodi pa ustvarjajo elektromagnetna motenja. Digitalni dvojček simulira natančen vpliv teh dejavnikov na stabilnost kubita in razkriva, kje bi bile stopnje napak sprejemljive in, kar je bistveno, kje ne. Poleg tega dvojček med delovanjem ostane aktiven: Če se okolje spremeni zaradi strukturnih sprememb ali uvedbe novih strojev, bodo senzorji zaznali te spremembe in ocenili njihov potencialni vpliv.

Korist: Kvantno računalništvo postane predvidljivo

Zahvaljujoč digitalnemu dvojčku imajo podjetja končno zanesljive podatke, ki vodijo svoje odločitve o industrijskem kvantnem računalništvu. Zdaj lahko v celoti ocenijo tveganja, preden vložijo veliko denarja, in jasno razumejo, kaj je potrebno za stabilno delovanje sistema.

Kot pojasnjuje Safi: »V svoji raziskavi raziskujem sorazvoj kvantnih algoritmov in strojne opreme za reševanje zapletenih optimizacijskih in industrijskih izzivov, ki so bodisi nerešljivi ali zelo neučinkoviti za klasične metode. To vključuje identifikacijo problemskih razredov, ki so edinstveno primerni za kvantno računalništvo, in razvoj učinkovitih pristopov modeliranja.«

Njen digitalni dvojček učinkovito premosti kritično vrzel med teoretičnimi raziskavami in praktično uporabo. Da bi se kvantni računalniki uspešno preselili iz specializiranih laboratorijev v resnična industrijska okolja, morajo postati enako stabilni, razširljivi in zanesljivi kot sistemi IT, ki jih uporabljamo vsak dan.