Kvantberäkning för fabriksgolvet

Kvantdatorer har löftet om att lösa problem som klassiska datorer helt enkelt inte kan hantera. I teorin. I praktiken är de dock otroligt känsliga: En förbipasserande lastbil, en plötslig brum från luftkonditioneringen eller till och med ett ljus som tänds i ett angränsande rum kan få systemet att reagera känsligt på miljöförändringar. Det är därför dessa enheter hittills har begränsats till högspecialiserade laboratorier, skyddade som patienter i intensivvård. För företag som syftar till att integrera kvantdatorer i produktiva miljöer utgör detta en betydande utmaning.

Hila Safi har tillsammans med sina kollegor varit banbrytande för en banbrytande lösning på detta problem och gett henne utmärkelsen Årets uppfinnare 2025 i kategorin ”PhD”. Innovationen är en digital tvilling utformad för att simulera exakt hur en kvantdator skulle fungera och integreras i en typisk industriell miljö. ”Med denna digitala tvilling kan vi använda kvantdatorer i verkliga miljöer - säkert, stabilt och pålitligt”, förklarar doktoranden vid Regensburg University of Applied Sciences.

Problemet: För känslig för den verkliga världen

Kvantdatorer förlitar sig på qubits — de grundläggande kvantmekaniska informationsenheterna. En qubit representerar ett fysiskt systems tillstånd, fungerar som en informationsbärare och utnyttjar kvantfenomen som superposition och intrassling.

Dessa fysiska tillstånd är extremt bräckliga. Även minimala störningar, såsom elektromagnetiska fält eller subtila förändringar i rumsstrukturen, kan förstöra beräkningarna. Även om de är hanterbara i en kontrollerad laboratoriemiljö utgör dessa faktorer en betydande utmaning på fabriksgolvet.

”En kvantdators tillförlitliga drift beror verkligen på dess omgivning”, förklarar Safi. ”Även små vibrationer eller temperaturförändringar kan orsaka fel, varför det är så viktigt att simulera och förstå dessa effekter tidigt.” Hittills har industrin inte funnit kvantsystem som är tillräckligt tillförlitliga. Utan starka och förutsägbara resultat är deras användning i affärer för riskabelt. Många frågor om var de ska placeras, hur stabila de kommer att vara och deras övergripande användbarhet gör det svårt för företag att bestämma om och var de ska investera.

Lösningen: simulera först och installera sedan

Det är just här Safis innovativa digitala tvilling erbjuder ett genombrott. Den replikerar praktiskt taget en kvantdator och dess avsedda driftsmiljö före fysisk installation. Modellen integrerar data från miljösensorer, felstatistik och simuleringar av potentiella störningskällor med kända hårdvaruegenskaper.

Detta proaktiva tillvägagångssätt gör det möjligt att besvara viktiga frågor i förväg: Kan kvantdatorn fungera effektivt inom den industriella miljön? Vilka typer av fel förväntas? Hur signifikant skulle de försämra datorkvaliteten? Och vilka åtgärder, som förbättrad skärmning, alternativ placering eller adaptiv kalibrering, skulle krävas för att stabilisera systemet?

Tänk till exempel på en produktionshall där transportrobotar används, tillverkningsanläggningar genererar vibrationer och kraftledningar skapar elektromagnetiska störningsfält. Den digitala tvillingen simulerar den exakta effekten av dessa faktorer på qubitstabilitet, avslöjar var felfrekvenser skulle vara tolererbara och, avgörande, var de inte skulle göra det. Dessutom förblir tvillingen aktiv under drift: Om miljön förändras på grund av strukturella ändringar eller införandet av nya maskiner, kommer sensorer att upptäcka dessa förändringar och bedöma deras potentiella inverkan.

Fördelen: Kvantberäkning blir förutsägbar

Tack vare den digitala tvillingen har företag äntligen tillförlitliga data för att vägleda sina beslut om industriell kvantberäkning. De kan nu fullt ut bedöma riskerna innan de investerar mycket pengar och tydligt förstår vad som behövs för att systemet ska fungera stabilt.

Som Safi förklarar, ”I min forskning utforskar jag samutvecklingen av kvantalgoritmer och hårdvara för att ta itu med komplex optimering och industriella utmaningar som antingen är svårhanterliga eller mycket ineffektiva för klassiska metoder. Detta innebär att identifiera problemklasser som är unikt lämpade för kvantberäkning och utveckling av effektiva modelleringsmetoder.

Hennes digitala tvilling överbryggar effektivt det kritiska gapet mellan teoretisk forskning och praktisk tillämpning. För att kvantdatorer ska kunna flytta från specialiserade laboratorier till verkliga industriella miljöer måste de bli lika stabila, skalbara och pålitliga som de IT-system vi använder varje dag.