各國(guó)政府和科技公司一直在量子計(jì)算方面進(jìn)行大量投資，希望它能徹底改變密碼學(xué)，機(jī)器學(xué)習(xí)，化學(xué)，通信和其他領(lǐng)域，但令大家驚訝的是，廣為人知的量子計(jì)算技術(shù)也可能對(duì)電力行業(yè)產(chǎn)生巨大影響，從而帶來(lái)更清潔的燃料，更低的排放量和更高效的電力系統(tǒng)。
11月，筆者與Microsoft Quantum總經(jīng)理Krysta M.Svore進(jìn)行了交談，以了解有關(guān)量子計(jì)算對(duì)能源行業(yè)的影響的更多信息，斯沃爾(Svore)于八月被任命為美國(guó)能源部國(guó)家量子計(jì)劃咨詢委員會(huì)(National Quantum Initiative Advisory Committee)的成員，該委員會(huì)為總統(tǒng)和能源部長(zhǎng)提供建議。
與其他公司一樣，Microsoft正在努力擴(kuò)展其量子硬件，以使新型計(jì)算機(jī)具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更多更大的功能范圍并大大提高計(jì)算速度，Svore表示，該公司正在與世界各地的其他公司合作，，從應(yīng)用程序，軟件到控制和設(shè)備，建立一個(gè)完整的“堆?！薄Ｒ恍┭芯咳藛T正在努力研究目前在常規(guī)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的量子啟發(fā)式代碼是否可以使能源行業(yè)受益。
微軟最近宣布向公眾開(kāi)放公共生態(tài)系統(tǒng)Azure Quantum，在Svore的博客文章中，Microsoft Quantum邀請(qǐng)了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員和研究人員開(kāi)始使用該平臺(tái)，這一步驟有望加速許多量子應(yīng)用程序。
Svore說(shuō)：“進(jìn)入量子信息科學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻”，“量子計(jì)算正在重新定義技術(shù)的可能性—?jiǎng)?chuàng)造了前所未有的可能性來(lái)解決人類最復(fù)雜的挑戰(zhàn)。”
巨大的優(yōu)勢(shì)
新型計(jì)算機(jī)有望在模擬量子系統(tǒng)(例如分子)方面表現(xiàn)出色，這將對(duì)能源部門產(chǎn)生重大影響。Svore說(shuō)：“我們看到了量子系統(tǒng)在清潔燃料，減少排放和提高能源效率方面的巨大潛力?！?/span>
量子計(jì)算機(jī)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力來(lái)幫助化學(xué)和材料開(kāi)發(fā)；仿真功能可以幫助研究人員制造具有更大存儲(chǔ)容量的電池；高溫超導(dǎo)體，可用于優(yōu)化可替代燃料的新型催化劑；量子計(jì)算可用于氣候建模，例如，尋找有助于設(shè)計(jì)新的風(fēng)能源的潛在風(fēng)流位置，這將需要收集歷史數(shù)據(jù)并將其實(shí)施到某些模型中。
量子計(jì)算應(yīng)用程序是此類過(guò)程的理想選擇，并可以使用真實(shí)數(shù)據(jù)提供高分辨率和校準(zhǔn)結(jié)果。而且，此類應(yīng)用程序可以將數(shù)據(jù)上傳到地理信息系統(tǒng)中，以獲得最佳的風(fēng)力渦輪機(jī)位置。
在當(dāng)今的智能電網(wǎng)中可能會(huì)看到更大，更直接的影響，使用當(dāng)今的計(jì)算機(jī)在大型電網(wǎng)的發(fā)電和輸電系統(tǒng)中高效地優(yōu)化最佳的可用電源是昂貴的，幾乎是不可能的。當(dāng)今的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商正在努力尋找處理可再生能源涌入的最佳方法。當(dāng)前，公用事業(yè)解決方案不是最佳的。
結(jié)合了多種可再生能源的混合動(dòng)力系統(tǒng)尤其難以優(yōu)化。例如，既包含風(fēng)能又包含太陽(yáng)能的電網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是，只要太陽(yáng)照耀，風(fēng)吹來(lái)，就可以提供便宜的能源。但是為了滿足客戶在夜間或平日中的能源需求，電網(wǎng)需要從儲(chǔ)能系統(tǒng)中釋放電能或從其他資源中增加能源生產(chǎn)。可以跟蹤需求，預(yù)測(cè)消耗高峰，協(xié)調(diào)能量存儲(chǔ)和管理資源的自動(dòng)化智能系統(tǒng)可以極大地提高效率，從而為獲得更便宜，更可靠的電源鋪平道路。
與當(dāng)今最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)有望實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化，斯托夫說(shuō)，微軟研究人員已經(jīng)通過(guò)創(chuàng)建量子啟發(fā)式代碼來(lái)解決電網(wǎng)應(yīng)用，這樣的代碼被映射到常規(guī)計(jì)算硬件。
2018年6月，研究人員宣布他們已設(shè)計(jì)出一種量子啟發(fā)式算法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組組合，這是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，旨在根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)載以及發(fā)電效率和容量限制來(lái)確定要運(yùn)行的最佳發(fā)電資源。機(jī)組組合仍然是電力系統(tǒng)管理中最重要的問(wèn)題之一。
微軟團(tuán)隊(duì)展示了其算法，該算法優(yōu)于更強(qiáng)大的經(jīng)典求解器。當(dāng)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)變得可用并且算法在它們上面運(yùn)行時(shí)，將會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。
未來(lái)的挑戰(zhàn)
量子計(jì)算仍然有許多障礙需要克服。
Svore說(shuō)，如今，通過(guò)微軟的硬件合作伙伴，可以在量子硬件上運(yùn)行量子啟發(fā)式解決方案。例如，霍尼韋爾量子解決方案可以訪問(wèn)其離子量子系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用中間電路測(cè)量量子重用，使開(kāi)發(fā)人員能夠以有效的方式編寫算法。
初創(chuàng)公司IonQ正在開(kāi)發(fā)一種離子量子計(jì)算機(jī)和軟件，以生成，優(yōu)化和執(zhí)行量子電路。通過(guò)Azure Quantum進(jìn)行基于云的訪問(wèn)，IonQ系統(tǒng)可用于加速研究解決化學(xué)，醫(yī)藥，金融和物流方面的問(wèn)題。
Svore說(shuō)，受量子啟發(fā)的優(yōu)化解決方案可用于提高經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的算法的速度和準(zhǔn)確性。加拿大公司1QBit開(kāi)發(fā)了與硬件無(wú)關(guān)的軟件，該軟件使應(yīng)用程序能夠不斷受益于量子和經(jīng)典硬件的發(fā)展，特別是在材料科學(xué)領(lǐng)域。
微軟的戴維·賴?yán)?David Reilly)領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)研究小組，其中包括悉尼大學(xué)的一些研究小組，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種解決量子計(jì)算機(jī)硬件方面的新穎方法，他們發(fā)明了控制芯片Gooseberry，該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種通用的低溫計(jì)算核心，該核心可以在比星際空間稍高的溫度下工作，這可以通過(guò)浸入液態(tài)氦中來(lái)實(shí)現(xiàn)，Svore說(shuō)，新穎的經(jīng)典計(jì)算技術(shù)解決了與控制數(shù)千個(gè)量子位相關(guān)的I/O噩夢(mèng)。
量子飛躍
量子計(jì)算應(yīng)用程序有望極大地影響電力系統(tǒng)計(jì)算。什么時(shí)候會(huì)發(fā)生？這取決于研究的進(jìn)展，最終有望使電力系統(tǒng)以完全不同的方式運(yùn)行和運(yùn)行。我們發(fā)電的方式將更便宜，更清潔。而且，我們分配電力的方式將更快，更容易。
如果我們希望在未來(lái)20年內(nèi)看到光明的未來(lái)并大規(guī)模應(yīng)用量子計(jì)算機(jī)，那么像Microsoft所做的那樣，繼續(xù)在該領(lǐng)域進(jìn)行大量投資對(duì)于未來(lái)的人們可以使用該技術(shù)非常重要
