量子算法將優(yōu)化電網(wǎng)效率

量子計(jì)算正成為增長最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，這要?dú)w功于只有量子力學(xué)才能描述和解釋的基本尺度現(xiàn)象，例如疊加、糾纏和干涉。與傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)的處理能力驚人，能夠更高效地執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。數(shù)字計(jì)算機(jī)似乎不適合解決數(shù)學(xué)、化學(xué)、天氣預(yù)報(bào)、加密、網(wǎng)絡(luò)安全、電網(wǎng)管理和運(yùn)輸物流中的某些復(fù)雜問題。

什么是量子算法?

經(jīng)典的非量子算法是一種系統(tǒng)性方法，以有限的指令序列的形式解決給定問題，每條指令都由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件執(zhí)行。同樣，量子算法仍然是一個循序漸進(jìn)的過程，但這些步驟是在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的 。即使經(jīng)典算法可以在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，復(fù)制量子力學(xué)的基本原理和糾錯與檢測，量子算法也會使用量子計(jì)算的一些固有特性，例如 疊加 或糾纏。

電網(wǎng)管理的量子算法

一些研究人員已經(jīng)探索了量子計(jì)算機(jī)在提升電網(wǎng)性能方面的潛力。主要問題在于運(yùn)行和維護(hù)現(xiàn)有電網(wǎng)非常昂貴且耗時。可再生能源的部署也加劇了電網(wǎng)管理問題，這將給配電線路帶來額外壓力。事實(shí)上，在經(jīng)濟(jì)增長、技術(shù)進(jìn)步和向非化石能源轉(zhuǎn)型的推動下，世界電力需求將激增。從這個角度來看，預(yù)計(jì)全球電力需求將從 2017 年的 22,000 TWh 達(dá)到近 35,300 太瓦時 (TWh)。

許多電力公司的利潤都很微薄，它們往往無力更換老化的設(shè)備，只能不斷地進(jìn)行修補(bǔ)，這導(dǎo)致電網(wǎng)更容易出現(xiàn)停電。

為響應(yīng)《巴黎氣候協(xié)定》 ，世界各國已著手實(shí)施綠色能源政策，目標(biāo)是到 2050 年實(shí)現(xiàn) 100% 可再生能源發(fā)電，實(shí)現(xiàn)凈零排放。因此，分布式能源資源(包括光伏和風(fēng)電)將整合到電網(wǎng)中，這些資源從定義上來說屬于不確定能源這可能會給系統(tǒng)運(yùn)營商在協(xié)調(diào)和管理方面帶來巨大挑戰(zhàn)。電網(wǎng)已經(jīng)是一個大型配電系統(tǒng)，而且還會進(jìn)一步發(fā)展，因此決策也會變得更加復(fù)雜。還必須考慮諸如網(wǎng)絡(luò)攻擊之類的事件，這些事件可能是由利益相關(guān)者和實(shí)體之間交換的大量數(shù)據(jù)引起的。具有諷刺意味的是，受量子算法啟發(fā)的攻擊可能會破解基于各種數(shù)學(xué)問題的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中的大多數(shù)加密算法。最終，操作如此復(fù)雜的系統(tǒng)將需要新穎的建模策略和開創(chuàng)性的計(jì)算技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種功能，例如控制、優(yōu)化和預(yù)測。

當(dāng)今的計(jì)算機(jī)無法有效處理這些大問題。包括 IBM、Google、D-Wave、英特爾、微軟在內(nèi)的知名公司以及 IonQ 和 Rigetti 等各種初創(chuàng)公司都在競相打造最大的量子計(jì)算機(jī)。

電力公司目前使用量子計(jì)算的情況

電力公司正穩(wěn)步向在各個領(lǐng)域采用量子計(jì)算的方向邁進(jìn)。意大利跨國能源公司 Enel 是全球能源、天然氣和可再生能源市場的主要綜合參與者，該公司與提供由人工智能驅(qū)動的高級數(shù)據(jù)分析的企業(yè)Data Reply合作，基于二次無約束二元優(yōu)化 (QUBO) 模型解決組合優(yōu)化問題。QUBO 為分配有限數(shù)量的人員進(jìn)行大量干預(yù)制定了最佳計(jì)劃。從計(jì)算的角度來看，優(yōu)化該地區(qū)運(yùn)營團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的維護(hù)工作計(jì)劃意味著即時可用性和更高的資源利用效率，從而顯著降低成本。

總部位于英國的E.ON一直與 IBM Quantum 合作，為其關(guān)鍵工作流程實(shí)施量子解決方案。據(jù) E.ON 稱，能源將不再單方面從發(fā)電公司輸送到用戶，未來可能包括較小的公司和家庭將能源輸送到電網(wǎng)——例如，通過他們自己的光伏系統(tǒng)或電動汽車。量子計(jì)算可用于在未來更高效、更有效地控制這些過程。同時，電動汽車數(shù)量的增加導(dǎo)致充電過程更加復(fù)雜，量子計(jì)算可以幫助解決這一問題。

Phasecraft 案例

在提高電網(wǎng)效率的競賽中，英國領(lǐng)先的量子算法初創(chuàng)公司 Phasecraft 贏得了英國政府價值 120 萬英鎊的合同，使用量子技術(shù)優(yōu)化能源電網(wǎng)，這是量子催化劑基金的一部分，也是僅有的六個進(jìn)入下一階段競賽的項(xiàng)目之一。在成功完成第一階段后，該項(xiàng)目的第二階段將由 Phasecraft 與能源安全部和 Net Zero 合作，優(yōu)先考慮并嘗試使用量子解決方案解決此類優(yōu)化問題，特別關(guān)注運(yùn)營成本。建設(shè)和維護(hù)電網(wǎng)連接的成本極其昂貴，每公里線路的成本高達(dá) 150 萬英鎊。新合同是在這家初創(chuàng)公司成功的一年之后簽訂的，該公司于 8 月份籌集了 1300 萬英鎊的 A 輪融資，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的量子優(yōu)勢——即量子計(jì)算機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用上勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

值得注意的是，量子催化劑基金旨在加速采用量子技術(shù)來改變公共服務(wù)。正如英國科學(xué)、研究和創(chuàng)新部國務(wù)大臣安德魯·格里菲斯所說：“這筆額外的 4500 萬英鎊資金凸顯了我們致力于支持那些正在突破界限并抓住這項(xiàng)技術(shù)潛力來改變我們公共服務(wù)的英國優(yōu)秀創(chuàng)新者的承諾。”

Phasecraft 由量子科學(xué)家于 2019 年創(chuàng)立，旨在設(shè)計(jì)新穎的量子算法來解決當(dāng)今不完善的量子計(jì)算機(jī)上的實(shí)際問題，旨在加速量子計(jì)算的廣泛應(yīng)用，從幾十年到幾年。它的算法基于理論物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的新見解，Phasecraft 的早期重點(diǎn)是將這些算法改進(jìn)應(yīng)用于建模和模擬問題，例如復(fù)雜能源網(wǎng)格的設(shè)計(jì)和使用。如今，Phasecraft 與領(lǐng)先的量子硬件公司(包括 Google、IBM 和 Rigetti)以及學(xué)術(shù)和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作。

量子算法可以解決的實(shí)際問題

優(yōu)化和負(fù)載平衡

量子算法可以有效解決復(fù)雜的優(yōu)化問題。在優(yōu)化問題中，我們尋求眾多可能組合中的最佳組合。例如：“旅行推銷員應(yīng)該遵循哪條最有效的路線來訪問不同的城市?”物理學(xué)可以幫助解決這類問題，因?yàn)樗鼩w結(jié)為能量最小化問題。物理學(xué)(包括量子物理學(xué))的基本規(guī)則是，一切都趨向于達(dá)到最小能量狀態(tài)(任何物體都會滑下斜坡)。量子退火只是使用量子物理學(xué)來找到問題的低能量狀態(tài)，從而找到元素的最佳或接近最佳的組合。對于智能電網(wǎng)而言，這意味著更好的負(fù)載平衡、最大限度地減少能源損失和優(yōu)化配電。

能源預(yù)測

量子算法通過增強(qiáng)預(yù)測能源需求和供應(yīng)的過程，有助于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定和高效的資源配置。量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以處理大型數(shù)據(jù)集并提高預(yù)測能源消耗模式的準(zhǔn)確性。

電網(wǎng)彈性和安全性

量子密碼學(xué)提供累積的安全協(xié)議。抗量子算法對于保護(hù)智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施免受未來量子計(jì)算機(jī)的攻擊至關(guān)重要。

電網(wǎng)模擬和建模

量子模擬器可以生成精確的電力流、故障分析和穩(wěn)定性評估模型。這些模擬使電網(wǎng)運(yùn)營商能夠測試場景、優(yōu)化電網(wǎng)參數(shù)并增強(qiáng)整體可靠性。

電網(wǎng)優(yōu)化

量子算法可以解決與電網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化、穩(wěn)定目的的電容器放置和故障檢測相關(guān)的大規(guī)模組合問題，并節(jié)省大量成本。

能源市場優(yōu)化

量子計(jì)算可以使市場清算算法更加強(qiáng)大，確保高效的能源交易和定價。借助量子算法，能源市場的實(shí)時優(yōu)化變得可行。

量子計(jì)算機(jī)尚未解決的問題

盡管量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)取得了一定的優(yōu)勢，但在超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之前，仍有一些問題需要解決。量子隨機(jī)存取存儲器仍然無法有效地將信息編碼為量子態(tài)，也無法確保量子算法的正確執(zhí)行速度。許多智能電網(wǎng)應(yīng)用依賴于大量量子比特來運(yùn)行量子算法，而控制這些量子比特可能是一項(xiàng)非常艱巨的工作，因?yàn)樗鼈儗χ車h(huán)境(如溫度和噪聲)極為敏感;因此，必須提供特殊的臨時基礎(chǔ)設(shè)施。此外，由于退相干的發(fā)生，保持大量量子比特糾纏可能是一項(xiàng)關(guān)鍵壯舉。

目前的量子計(jì)算機(jī)并不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣無錯誤，這可能會在敏感的電力系統(tǒng)應(yīng)用中帶來額外的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)人員有責(zé)任開發(fā)一種通用的容錯和糾錯量子計(jì)算機(jī)，以最小的努力實(shí)現(xiàn)任意量子算法。