Kvantno računalništvo v proizvodnji

Kvantni računalniki obetajo reševanje problemov, ki jih klasični računalniki preprosto ne zmorejo. Vsaj teoretično. V praksi pa so izjemno občutljivi: mimo vozeč tovornjak, nenaden šum klimatske naprave ali celo prižig luči v sosednjem prostoru lahko povzroči, da sistem reagira na spremembe v okolju. Zato so bili ti sistemi doslej omejeni na visoko specializirane laboratorije, zaščitene kot bolniki na intenzivni negi. Za podjetja, ki želijo kvantne računalnike vključiti v realna proizvodna okolja, to predstavlja velik izziv.

Hila Safi je skupaj s sodelavci razvila prelomno rešitev za ta problem, za katero je prejela nagrado Inventor of the Year 2025 v kategoriji »PhD«. Njihova inovacija je digitalni dvojček, zasnovan za natančno simulacijo delovanja kvantnega računalnika in njegove integracije v tipično industrijsko okolje. »S tem digitalnim dvojčkom lahko kvantne računalnike uporabljamo v realnih okoljih – varno, stabilno in zanesljivo,« pojasnjuje doktorandka na Visoki šoli v Regensburgu.

Težava: preveč občutljivi za realni svet

Kvantni računalniki temeljijo na kubitih – osnovnih kvantno-mehanskih enotah informacij. Kubit predstavlja stanje fizičnega sistema in deluje kot nosilec informacij, pri čemer izkorišča kvantne pojave, kot sta superpozicija in prepletenost.

Ta stanja so izjemno krhka. Že minimalne motnje, kot so elektromagnetna polja ali majhne spremembe v prostoru, lahko pokvarijo izračune. Čeprav je to mogoče nadzorovati v laboratoriju, predstavlja v proizvodnem okolju velik problem.

»Zanesljivo delovanje kvantnega računalnika je močno odvisno od njegovega okolja,« pojasnjuje Safi. »Tudi majhne vibracije ali temperaturne spremembe lahko povzročijo napake, zato je ključno, da te vplive razumemo in simuliramo že vnaprej.« Do zdaj industrija ni uspela zagotoviti dovolj zanesljivih kvantnih sistemov. Brez stabilnih in predvidljivih rezultatov je njihova uporaba v poslovnem okolju preveč tvegana. Podjetja se soočajo z vprašanji, kot so: kam jih namestiti, kako stabilni bodo in ali se sploh splača investirati.

Rešitev: najprej simulacija, nato implementacija

Prav tu nastopi digitalni dvojček, ki ga je razvila Safi. Ta virtualno posnema kvantni računalnik in njegovo predvideno delovno okolje še pred fizično namestitvijo. Model združuje podatke iz okoljskih senzorjev, statistiko napak in simulacije potencialnih virov motenj z znanimi lastnostmi strojne opreme.

S tem pristopom je mogoče vnaprej odgovoriti na ključna vprašanja: Ali lahko kvantni računalnik učinkovito deluje v industrijskem okolju? Kakšne napake lahko pričakujemo? Kako močno bodo vplivale na kakovost izračunov? Katere ukrepe (npr. boljša zaščita, drugačna postavitev ali prilagoditve sistema) je treba izvesti za stabilno delovanje?

Na primer: v proizvodni hali z robotiziranimi sistemi, vibracijami strojev in elektromagnetnimi vplivi električnih vodov digitalni dvojček natančno simulira vpliv teh dejavnikov na stabilnost kubitov ter pokaže, kje so napake še sprejemljive in kje ne. Sistem ostaja aktiven tudi med delovanjem – ob spremembah v okolju (npr. nove naprave ali gradbene spremembe) senzorji zaznajo vplive in ocenijo njihov učinek.

Prednost: kvantno računalništvo postane predvidljivo

Z digitalnim dvojčkom podjetja končno dobijo zanesljive podatke za odločanje o uvedbi kvantnega računalništva v industriji. Tako lahko že pred velikimi investicijami ocenijo tveganja in jasno razumejo, kaj je potrebno za stabilno delovanje sistema.

Kot poudarja Safi: »V svojem raziskovalnem delu preučujem sočasni razvoj kvantnih algoritmov in strojne opreme za reševanje kompleksnih optimizacijskih in industrijskih izzivov, ki jih klasične metode ne zmorejo ali jih rešujejo neučinkovito.«

Njen digitalni dvojček tako zapolnjuje ključno vrzel med teoretičnimi raziskavami in praktično uporabo. Da bi kvantni računalniki zapustili laboratorije in postali del industrijskega okolja, morajo postati prav tako stabilni, razširljivi in zanesljivi kot današnji IT-sistemi.