量子電腦現在可以與電網裝置進行介面
作者：康納·奧尼爾（Connor O'Neil）
美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）的研究團隊與 RTDS Technologies Inc.和 Atom Computing 合作，成功地將 Atom Computing 的量子計算解決方案與電網研究裝置進行了介面。這個開放原始碼的介面可以讓其他研究人員進行自己的量子支援研究。這一突破使得研究人員可以進行“量子在回路”實驗，不僅僅適用於能源裝置，還可以在高度逼真的電力系統內執行量子計算。這一能力對於使用量子計算最佳化電網運營，並將越來越複雜的分散能源資源存取起來，可能是重要的下一步。
量子計算對電網能提供什麼？
過去的研究結果表明，量子算法對處理電力系統的復雜性，尤其是超大規模最佳化問題，比傳統計算機更加適合。隨著分散能源資源的增多和功率流的雙向性，這些復雜問題變得越來越普遍。NREL 的電力系統工程師 Sayonsom Chanda 表示：“隨著能源的生成和供應方式的增加，處理如此多的輸入和輸出變得非常重要，但是現有的基於傳統計算機的最佳化器並不適應預計在未來二十年中行業所見的輸入引數指數增長。我們講的是數百萬個輸入和輸出，這是傳統計算機開始顯示其局限性，而量子計算機顯示出其優點的時候。”
當建模電網時，每輛電動汽車、家用電器或者感測器都是一個潛在的變數。它們的資料以一種錯綜複雜的方式相互作用和共同演化，甚至連一個關於電網可用功率的查詢都變成了計算上的困難。這個新的介面簡化了將最佳化問題轉化為量子變數並實現量子計算機與電力系統模擬之間的通訊的過程。隨著對量子計算的興趣逐步增加，這個介面將幫助科學家們分類出哪些問題可以透過量子計算解決，並在實驗中評估這些問題。
量子物理學以機率和納美糾纏等概念區別於傳統計算，提供了一種功能上不同、在某些情況下更快的計算方式。例如，量子格羅佛算法理論上比任何已知的傳統算法更高效地解決搜尋問題。藉著 Atom Computing 等公司的最新技術突破，量子算法正在實際應用中得到測試，而電力系統則是其中最具吸引力的領域之一。NREL 的研究顧問羅伯·霍瓦普先說：“想想當前能源系統中最具挑戰性的問題：基於大型感測器網路進行決策；在故障狀態下最佳化系統恢復；保障網路裝置之間的通訊安全。這些都是量子計算機可能擅長的核心應用領域，所以我們在電力系統中加速了對它們的應用。”
測試設定和技術
NREL 和其他研究機構經常透過“硬體在回路”的方式取證新的電力技術，但直到現在才出現量子在回路。這次展示依賴於幾個特殊的能力：NREL 提供的九個數位實時模擬器，它們透過 ESnet 網路與 Atom Computing 的量子模擬器和其原型系統 Phoenix 進行通訊。這兩個站點之間的存取是新開發的介面，它是一個即時解釋、轉換和傳輸資料的軟體。
NREL 團隊在 2023 年第 13 屆國際電氣工程高級話題研討會（ATEE）上發表的名為《設計強韌智慧電網的量子回路實時模擬架構》的文章中，詳細解釋了介面的設計，並提供了一個例子：電動汽車充電協調。該文章指出：“研究人員可以使用量子計算機開發和實現量子近似最佳化算法或變分量子本徵求解器算法。這些高效能的程式碼片段將幫助研究人員彌補傳統計算機和量子計算機之間的計算差距，並且將主要基於熟悉的開源框架，如 QISKIT、QMuTPy 和 Queso。” 這個介面不僅適用於量子計算平臺，而且與所有實時數位模擬平臺相容。使用者可以透過網路瀏覽器和使用者友好介面與軟體進行互動，設定所需的最佳化值、調整量子算法並獲取量子位元的測量結果。作者計劃在 GitHub 上公開發布程式碼。
下一步是什麼？
量子計算仍處於非常早期的階段，其在電力系統中的價值尚未得到證實，但這正是此介面如此有用的原因：所有對於量子計算的理論和期望都可以進行實驗評估了。“對於公共事業公司來說對下一代技術進行田野測試並加以採用至關重要，量子計算也不例外，”Chanda 表示。“這個介面將有助於未來對新興電網問題的研究。” 特別是在 ARIES 專案中，量子在回路使其與其他技術在回路內融合，如商業可再生能源資源、系統控制器、超級計算機驅動的模擬器，感測器和變電站裝置。ARIES 是能源系統實驗中最接近真實情況的專案，並且它還在不斷擴大：到明年，ARIES 將能夠控制 10,000 個能源裝置等。這個能力為評估量子算法提供了獨特而關鍵的實際性，推動了電力系統的發展。
Chanda 表示：“我們想解決的第一個最佳化問題是如何從不同的資源中最佳地提取功率。某些資源可能與某些負載更接近，而其他資源部署更具經濟意義。也許利用量子計算可以確保如何快速切換功率來源以實現可靠性和效率。” 我們仍然處於量子計算的黎明時期，但美國能源部和 NREL 已經消除了將這種有希望的科技引入能源系統的一個重要障礙。
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