Квантові обчислення для заводського цеху

Квантові комп'ютери обіцяють вирішити проблеми, з якими класичні комп'ютери просто не можуть впоратися. Теоретично. Однак на практиці вони неймовірно тендітні: вантажівка, що проїжджає повз, раптовий гул кондиціонера або навіть увімкнення світла в сусідній кімнаті можуть призвести до того, що система почне чутливо реагувати на зміни навколишнього середовища. Саме тому ці пристрої досі використовувалися лише у вузькоспеціалізованих лабораторіях, захищених, як пацієнти у відділенні інтенсивної терапії. Це створює значну проблему для компаній, які прагнуть інтегрувати квантові комп'ютери у виробниче середовище.

Хіла Сафі (Hila Safi) разом зі своїми колегами запропонувала новаторське рішення цієї проблеми, що принесло їй нагороду «Винахідник року 2025» у категорії «Доктор філософії». Їхня інновація — це цифровий двійник, призначений для точного моделювання функціонування квантового комп’ютера та його інтеграції в типове промислове середовище. «За допомогою цього цифрового двійника ми можемо керувати квантовими комп'ютерами в реальних умовах — безпечно, стабільно та надійно», — пояснює докторантка Регенсбурзького університету прикладних наук.

Проблема: Занадто чутливий для реального світу

Квантові комп'ютери спираються на кубіти — фундаментальні квантово-механічні одиниці інформації. Кубіт представляє стан фізичної системи, діючи як носій інформації та використовуючи квантові явища, такі як суперпозиція та заплутаність.

Ці фізичні стани надзвичайно крихкі. Навіть мінімальні збурення, такі як електромагнітні поля або незначні зміни в структурі приміщення, можуть спотворити розрахунки. Хоча ці фактори й керовані в контрольованому лабораторному середовищі, вони створюють значну проблему у заводських цехах.

«Надійна робота квантового комп'ютера дійсно залежить від його оточення», — пояснює Сафі. «Навіть невеликі вібрації або зміни температури можуть спричинити помилки, тому так важливо моделювати та розуміти ці ефекти на ранніх стадіях». Досі галузь не вважала квантові системи достатньо надійними. Без надійних і передбачуваних результатів їх використання в бізнесі занадто ризиковано. Багато питань щодо того, де їх розмістити, наскільки вони будуть стабільними та якою буде їхня загальна корисність, ускладнюють для компаній рішення про те, чи варто інвестувати в них і у що саме слід інвестувати.

Рішення: спочатку моделювання, а потім встановлення

Саме тут інноваційний цифровий двійник Сафі пропонує прорив. Він віртуально відтворює квантовий комп'ютер та його цільове операційне середовище перед фізичним встановленням. Модель інтегрує дані з датчиків навколишнього середовища, статистику помилок та моделювання потенційних джерел перешкод з відомими характеристиками обладнання.

Такий проактивний підхід дозволяє заздалегідь відповісти на важливі запитання: чи може квантовий комп'ютер ефективно працювати в промисловому середовищі? Які типи помилок передбачаються? Наскільки суттєво вони погіршать якість обчислень? І які заходи, такі як посилене екранування, альтернативне розміщення або адаптивне калібрування, будуть потрібні для стабілізації системи?

Наприклад, розглянемо виробничий цех, де використовуються транспортні роботи, виробничі установки генерують вібрації, а лінії електропередач створюють електромагнітні поля перешкод. Цифровий двійник моделює точний вплив цих факторів на стабільність кубітів, показуючи, де рівень помилок буде допустимим, і, що найважливіше, де він перевищить допустимі норми. Крім того, двійник залишається активним під час роботи: якщо середовище зміниться через структурні модифікації або встановлення нового обладнання, датчики виявлять ці зміни та оцінять їхній потенційний вплив.

Перевага: Квантові обчислення стають передбачуваними

Завдяки цифровому двійнику компанії нарешті мають надійні дані, які допоможуть їм приймати рішення щодо промислових квантових обчислень. Тепер вони можуть повністю оцінити ризики, перш ніж інвестувати багато грошей, та чітко розуміти, що потрібно для стабільної роботи системи.

Як пояснює Сафі: «У своїх дослідженнях я вивчаю спільну розробку квантових алгоритмів та апаратного забезпечення для вирішення складних оптимізаційних та промислових проблем, які є або невирішеними, або дуже неефективними для класичних методів. Це передбачає визначення класів проблем, унікально придатних для квантових обчислень, та розробку ефективних підходів до моделювання».

Її цифровий двійник ефективно усуває критичний розрив між теоретичними дослідженнями та практичним застосуванням. Щоб квантові комп'ютери успішно вийшли зі спеціалізованих лабораторій у реальне промислове середовище, вони повинні стати такими ж стабільними, масштабованими та надійними, як і ІТ-системи, якими ми користуємося щодня.