工廠車間量子計算

量子電腦有望解決傳統電腦根本無法處理的問題——至少在理論上是如此。然而在實際應用中，它們卻異常脆弱：一輛卡車駛過、空調設備的突然運轉，甚至是隔壁房間開關燈的動作，都可能使系統對環境變化反應靈敏。正因如此，這些裝置至今仍局限於高度專業化的實驗室，像加護病房裡的病人一樣受到嚴密保護。對於有志於將量子電腦整合到生產環境中的企業而言，這無疑是一項巨大挑戰。

Hila Safi 與她的同儕開創性地解決了這個問題，並因此榮獲 2025年「年度發明家」獎（博士類）。他們的創新成果是一個數位孿生系統，旨在精確模擬量子電腦在典型工業環境中的運作方式及整合過程。「憑藉這個數位孿生系統，我們可以在真實環境中安全、穩定、可靠地運行量子電腦，」這位雷根斯堡應用科學大學的博士候選人解釋道。

問題所在：過於敏感，難以適應現實世界

量子電腦依賴量子位元 – 這是量子力學中最基本的資訊單元。量子位元代表物理系統的狀態，作為資訊載體，利用疊加和糾纏等量子現象進行計算。

這些物理狀態極為脆弱。即使是微小的干擾，如電磁場或房間結構的細微變化，都可能導致計算錯誤。雖然在受控的實驗室環境中尚可管理，但在工廠車間裡，這些因素構成了巨大挑戰。

「量子電腦的可靠運作確實取決於其周圍環境，」Safi 解釋道。「即使是微小的振動或溫度變化也可能引發錯誤，這就是為什麼及早模擬和理解這些影響如此重要。」迄今為止，工業界尚未認可量子系統的可靠性。缺乏穩定且可預測的結果，使得其在商業應用上風險過高。關於安裝位置、穩定性以及整體效用的許多疑問，讓企業難以決定是否進行相關投資以及確定投資方向。

解決方案：先模擬，後安裝

這正是 Safi 的創新數位孿生取得突破的關鍵所在。在實際安裝之前，它能夠虛擬複製量子電腦及其預期運作環境。該模型整合了來自環境感測器的資料、誤差統計資料、潛在干擾來源的模擬情況與已知的硬體特徵。

這種主動式方法使得關鍵問題能夠事先得到解答：量子電腦能否在工業環境中有效運作？預計會出現哪些類型的錯誤？這些錯誤會在多大程度上降低計算品質？需要採取哪些措施（增強屏蔽、選擇替代位置或自適應校準）來穩定系統？

例如，在使用運輸機器人的生產車間，製造設備產生振動，電源線產生電磁干擾場。數位孿生精確模擬這些因素對量子位元穩定性的影響，告知哪些區域的錯誤率是可接受的，更重要的是，哪些區域是不可接受的。此外，這個數位孿生將在運行期間保持啟用狀態：如果因結構改造或引入新機器而導致環境變化，感測器將偵測到這些變化並評估其潛在影響。

優勢：量子計算變得可預測

得益於數位孿生技術，企業終於擁有可靠的資料來指導其在工業量子計算方面的決策。如今，他們能夠在投入大量資金之前全面評估風險，並清楚地了解需要滿足哪些條件才能使系統穩定運作。

正如 Safi 所闡釋的：「在我的研究中，我探索量子演算法與硬體的協同開發，以應對那些經典計算方法難以解決或效率極低的複雜最佳化難題及工業挑戰。這包括識別特別適合量子計算的問題類別，並開發高效的建模方法。」

她的數位孿生技術有效地彌合了理論研究與實際應用之間的關鍵鴻溝。量子電腦要成功走出專業實驗室，進入真實的工業環境，就必須變得像我們日常使用的 IT 系統一樣穩定、可擴充且可靠。