工厂车间的量子计算

量子计算机有望解决传统计算机根本无法处理的问题。理论上。但是，实际上，它们非常精致：过往的卡车、空调突然发出的嗡嗡声，甚至隔壁房间的灯光开启，都可能使系统对环境变化做出敏感的反应。这就是为什么这些设备迄今为止仅限于高度专业化的实验室，像重症监护室的患者一样受到屏蔽。对于旨在将量子计算机集成到生产环境的公司来说，这是一项重大挑战。

希拉·萨菲和她的同事们开创了解决这个问题的开创性解决方案，为她赢得了 “博士” 类别的2025年度发明家奖。他们的创新是 数字双胞胎 旨在精确模拟量子计算机将如何运行并集成到典型的工业环境中。雷根斯堡应用科学大学的博士候选人解释说：“有了这种数字双胞胎，我们可以在真实环境中安全、稳定和可靠地操作量子计算机。”

问题：对现实世界来说太敏感了

量子计算机依赖 量子比特 — 基本的量子力学信息单位。量子比特代表物理系统的状态，充当信息载体，利用叠加和纠缠等量子现象。

这些物理状态极其脆弱。即使是最小的干扰，例如电磁场或房间结构的细微变化，也可能破坏计算。尽管这些因素在受控的实验室环境中是可以控制的，但对工厂车间构成了重大挑战。

萨菲解释说：“量子计算机的可靠运行实际上取决于其周围环境。”“即使是微小的振动或温度变化也可能导致错误，这就是为什么尽早模拟和理解这些影响如此重要的原因。”到目前为止，业界还没有发现量子系统足够可靠。如果没有强劲且可预测的结果，它们在商业中的使用风险太大。关于将它们安置在哪里、它们的稳定性及其整体用途等许多问题使公司很难决定是否投资以及在哪里投资。

解决方案：先模拟，然后安装

这正是Safi的创新数字双胞胎提供突破的地方。在物理安装之前，它虚拟地复制了量子计算机及其预期的操作环境。该模型整合了来自环境传感器的数据、错误统计数据和具有已知硬件特性的潜在干扰源模拟。

这种主动的方法可以提前回答关键问题：量子计算机能否在工业环境中有效运行？预计会出现哪些类型的错误？它们会严重降低计算质量？以及需要采取哪些措施，例如增强屏蔽、替代放置或自适应校准，来稳定系统？

例如，以一个使用运输机器人的生产车间为例，制造工厂产生振动，电力线产生电磁干扰场。数字双胞胎模拟了这些因素对量子比特稳定性的精确影响，揭示了错误率在哪些方面是可以容忍的，至关重要的是，它们不能容忍的地方。此外，双胞胎在运行过程中保持活动状态：如果环境因结构调整或引入新机械而发生变化，传感器将检测这些变化并评估其潜在影响。

好处：量子计算变得可预测

多亏了数字双胞胎，各公司终于有了可靠的数据来指导他们关于工业量子计算的决策。他们现在可以在投入大量资金之前全面评估风险，并清楚地了解使系统稳定运行所需的条件。

正如萨菲所解释的那样，“在我的研究中，我探索共同开发量子算法和硬件，以应对复杂的优化和工业挑战，这些挑战对于传统方法来说要么难以解决，要么效率极低。这包括确定特别适合量子计算的问题类别和开发有效的建模方法。”

她的数字双胞胎有效地弥合了理论研究和实践应用之间的关键差距。量子计算机要成功地走出专业实验室进入真正的工业环境，它们需要变得像我们每天使用的IT系统一样稳定、可扩展和可靠。