量子計算正成為增長最快的技術(shù)領(lǐng)域之一，這要歸功于只有量子力學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)字計算機相比，量子計算機的處理能力驚人，能夠更高效地執(zhí)行復雜的計算。數(shù)字計算機似乎不適合解決數(shù)學、化學、天氣預報、加密、網(wǎng)絡安全、電網(wǎng)管理和運輸物流中的某些復雜問題。

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)計算機的硬件執(zhí)行。同樣，量子算法仍然是一個循序漸進的過程，但這些步驟是在量子計算機上執(zhí)行的 。即使經(jīng)典算法可以在量子計算機上執(zhí)行，復制量子力學的基本原理和糾錯與檢測，量子算法也會使用量子計算的一些固有特性，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)探索了量子計算機在提升電網(wǎng)性能方面的潛力。主要問題在于運行和維護現(xiàn)有電網(wǎng)非常昂貴且耗時?？稍偕茉吹牟渴鹨布觿×穗娋W(wǎng)管理問題，這將給配電線路帶來額外壓力。事實上，在經(jīng)濟增長、技術(shù)進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，預計全球電力需求將從 2017 年的 22,000 TWh 達到近 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備，只能不斷地進行修補，這導致電網(wǎng)更容易出現(xiàn)停電。

為響應《巴黎氣候協(xié)定》 ，世界各國已著手實施綠色能源政策，目標是到 2050 年實現(xiàn) 100% 可再生能源發(fā)電，實現(xiàn)凈零排放。因此，分布式能源資源(包括光伏和風電)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)，而且還會進一步發(fā)展，因此決策也會變得更加復雜。還必須考慮諸如網(wǎng)絡攻擊之類的事件，這些事件可能是由利益相關(guān)者和實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，操作如此復雜的系統(tǒng)將需要新穎的建模策略和開創(chuàng)性的計算技術(shù)來實現(xiàn)各種功能，例如控制、優(yōu)化和預測。

當今的計算機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算機。

電力公司目前使用量子計算的情況

電力公司正穩(wěn)步向在各個領(lǐng)域采用量子計算的方向邁進。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)量的人員進行大量干預制定了最佳計劃。從計算的角度來看，優(yōu)化該地區(qū)運營團隊進行的維護工作計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)量的增加導致充電過程更加復雜，量子計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，也是僅有的六個進入下一階段競賽的項目之一。在成功完成第一階段后，該項目的第二階段將由 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)注運營成本。建設和維護電網(wǎng)連接的成本極其昂貴，每公里線路的成本高達 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，以實現(xiàn)實際的量子優(yōu)勢——即量子計算機在現(xiàn)實世界的應用上勝過傳統(tǒng)計算機。

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。正如英國科學、研究和創(chuàng)新部國務大臣安德魯·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技術(shù)潛力來改變我們公共服務的英國優(yōu)秀創(chuàng)新者的承諾?！?

Phasecraft 由量子科學家于 2019 年創(chuàng)立，旨在設計新穎的量子算法來解決當今不完善的量子計算機上的實際問題，旨在加速量子計算的廣泛應用，從幾十年到幾年。它的算法基于理論物理學和計算機科學的新見解，Phasecraft 的早期重點是將這些算法改進應用于建模和模擬問題，例如復雜能源網(wǎng)格的設計和使用。如今，Phasecraft 與領(lǐng)先的量子硬件公司(包括 Google、IBM 和 Rigetti)以及學術(shù)和行業(yè)領(lǐng)導者合作。

量子算法可以解決的實際問題

優(yōu)化和負載平衡

量子算法可以有效解決復雜的優(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：“旅行推銷員應該遵循哪條最有效的路線來訪問不同的城市?”物理學可以幫助解決這類問題，因為它歸結(jié)為能量最小化問題。物理學(包括量子物理學)的基本規(guī)則是，一切都趨向于達到最小能量狀態(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，這意味著更好的負載平衡、最大限度地減少能源損失和優(yōu)化配電。

能源預測

量子算法通過增強預測能源需求和供應的過程，有助于實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定和高效的資源配置。量子機器學習模型可以處理大型數(shù)據(jù)集并提高預測能源消耗模式的準確性。

電網(wǎng)彈性和安全性

量子密碼學提供累積的安全協(xié)議?？沽孔铀惴▽τ诒Ｗo智能電網(wǎng)基礎設施免受未來量子計算機的攻擊至關(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)運營商能夠測試場景、優(yōu)化電網(wǎng)參數(shù)并增強整體可靠性。

電網(wǎng)優(yōu)化

量子算法可以解決與電網(wǎng)拓撲優(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

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

量子計算機尚未解決的問題

盡管量子計算機已經(jīng)取得了一定的優(yōu)勢，但在超越傳統(tǒng)計算機之前，仍有一些問題需要解決。量子隨機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)應用依賴于大量量子比特來運行量子算法，而控制這些量子比特可能是一項非常艱巨的工作，因為它們對周圍環(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設施。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關(guān)鍵壯舉。

目前的量子計算機并不像傳統(tǒng)計算機那樣無錯誤，這可能會在敏感的電力系統(tǒng)應用中帶來額外的挑戰(zhàn)。因此，設計人員有責任開發(fā)一種通用的容錯和糾錯量子計算機，以最小的努力實現(xiàn)任意量子算法。