工廠用量子計算

量子計算機承諾解決古典計算機簡單無法處理的問題。理論上然而，在實際上，它們非常細膩：一輛過路的卡車，空調突然發出的鳴聲，甚至在鄰近房間打開燈，都會導致系統對環境變化敏感的反應。這就是為什麼到目前為止，這些設備僅限於高度專業化的實驗室，像在密集治療中的患者一樣屏蔽。對於旨在將量子計算機整合到生產環境中的公司來說，這是一個重大的挑戰。

希拉·薩菲（Hila Safi）和她的同事一起開創了解決這個問題的突破性方案，並在「博士」類別中獲得了 2025 年度最佳發明家獎。他們的創新是 數字雙胞胎 旨在精確模擬量子計算機的運作方式，並將其集成到典型的工業環境中。雷根斯堡應用科學大學博士候選人解釋說：「借助這款數位雙胞胎，我們可以在真實環境中安全、穩定和可靠地操作量子計算機。」

問題：對現實世界來說太敏感

量子計算機依賴 基比特 — 信息的基本量子機械單位。量子位代表物理系統的狀態，作為信息載體，並利用量子現象，例如疊加和糾結。

這些物理狀態非常脆弱。即使是最小的干擾，例如電磁場或房間結構中的微妙變化，也可能會損壞計算。雖然在受控的實驗室環境中可管理，但這些因素在工廠中構成了重大的挑戰。

Safi 解釋：「量子計算機的可靠運行確實取決於其周圍環境。」即使是小的振動或溫度變化也可能導致錯誤，這就是為什麼早期模擬和理解這些影響非常重要的原因。」到目前為止，該行業還沒有發現量子系統足夠可靠。如果沒有強大且可預測的結果，它們在業務中使用過於風險。許多關於放置它們在哪裡，它們將有多穩定以及其整體有用性的問題，使公司難以決定是否和在哪裡投資。

解決方案：先模擬，然後安裝

這正是 Safi 創新的數字雙胞胎帶來突破的地方。在實體安裝之前，它虛擬複製量子計算機和其預期的操作環境。該模型整合了來自環境感測器的數據，錯誤統計數據和具有已知硬件特性的潛在干涉來源的模擬。

這種主動方法可以提前回答關鍵問題：量子計算機在工業環境中可以有效地運行嗎？預期有哪些類型的錯誤？它們會有多大降低計算質量？還需要哪些措施，例如增強屏蔽、替代放置或自適應校準來穩定系統？

例如，考慮一個運輸機器人正在使用的生產大廳，製造工廠產生振動，電源線會產生電磁干擾場。數位雙胞胎模擬這些因素對 qubit 穩定性的精確影響，揭示錯誤率可容忍的地方，最重要的是在哪些地方不能承受。此外，雙體在運行過程中仍保持活動狀態：如果由於結構修改或引入新機械而導致環境發生變化，感測器將檢測這些變化並評估其潛在的影響。

優點：量子計算變得可預測

多虧了數位雙胞胎，公司終於擁有可靠的數據來指導他們對工業量子計算的決定。現在，他們可以在投資大量資金之前充分評估風險，並清楚了解使系統穩定工作所需的是什麼。

正如 Safi 解釋說：「在我的研究中，我探索量子算法和硬件的共同開發，以解決複雜的優化和工業挑戰，這些挑戰對經典方法來說是難以解決或高效率高度低的。這包括識別針對量子計算獨特的問題類別，並開發高效的建模方法。」

她的數字雙胞胎有效地彌合理論研究和實踐應用之間的關鍵差距。若要將量子計算機成功移出專業實驗室，進入真正的工業環境，它們需要與我們每天使用的 IT 系統一樣穩定、可擴展和可靠。