香港科技大学首次探索量子计算在汽车行驶工况分析中的应用

光子盒研究院出品

汽车行驶工况(drive cycle)，又称车辆测试循环，是描述汽车行驶的速度-时间曲线，如图1所示，体现汽车道路行驶的运动学特征，是汽车行业的一项重要的、共性基础技术，是车辆能耗/排放测试方法和限值标准的基础，也是汽车各项性能指标标定优化时的主要基准。

图1 欧洲NEDC工况

因此，快速估计行驶工况频率对于与燃油效率、减排和提高安全性相关的控制应用非常重要。长期以来，这一直是高性能计算系统傅里叶变换模拟的领域。但这个问题似乎非常适合基于门的量子系统。利用IBM-Q量子服务，来自悉尼大学和香港科技大学的研究小组通过“量子傅里叶变换估计行驶工况”，并且能够通过在IBM-Q16 Melbourne量子模拟器上的15量子比特运行更快地达到傅里叶驱动的行驶工况建模结果。

本世纪初，我国直接采用欧洲的NEDC行驶工况对汽车产品能耗/排放的认证。但近年来随着汽车保有量的快速增长，我国道路交通状况发生很大变化，政府、企业和民众日渐发现以NEDC工况为基准所优化标定的汽车，实际油耗与法规认证结果偏差越来越大，影响了政府的公信力（例如对于某型号汽车，该车标注的工信部油耗6.5升/100公里，用户体验实际油耗可能是8.5-10升/100公里）。

另外，欧洲在多年的实践中也发现NEDC工况的诸多不足，转而采用世界轻型车测试循环(WLTC)。四部委联合发布的《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》中提到，从2021年起，我国的测试循环将由现行的NEDC变成WLTC。

WLTC测试由日本、美国、欧盟等共同制定，其严格度来说比NEDC高了不少。与采用路况较为理想化的NEDC测试标准不同，WLTC模拟了城市(低速)、城郊(中速)、乡村(高速)和高速公路(超高速)4种不同工况，更贴近消费者日常使用的情况。

图2 世界WLTC工况

过去三十年的量子计算和算法研究，从理论上证明了“量子加速”的潜在收益。当前的车辆系统依靠傅里叶变换来估计行驶工况的频域。本次研究演示了使用量子傅里叶变换(QFT)来完成这项任务。这可能对提高安全性、燃油效率和减少排放的快速反应能力产生重大影响。

图3 量子傅里叶变换线路

如上图所示，在QFT线路中，第一个量子比特需要n个门，例如1个Hadamard门和n-1个UROT门等。通用量子比特k需要n-k+1个门。紧接着是n/2个SWAP门。因此，所需的操作总数将为：

因此，QFT的复杂度为O(n²)或O((lnN)²)，这是对经典快速傅里叶变换(O(NlogN))的指数级改进。

研究人员通过在IBM-Q16 Melbourne量子计算机上的模拟和实现来演示该应用。这是量子计算首次应用于研究交通动力学数据，特别是在估计行驶工况的背景下。

图4 行驶工况数据(来自加州运输局)。在2012年11月27日的以下时段进行了测试：(a)上午8:42-8:47，(b)下午13:07-13:32，(c)18:37-19:04。

文中构建的QFT线路用于分析256秒时间内的加速-减速工况的频域。该线路使用IBM量子模拟器运行。结果表明，从量子傅里叶变换和傅里叶变换获得的光谱数据非常一致，如图5所示。同时QFT估计概率的平方根和傅里叶变换系数之间观察到了完美的相关性(相关系数约为1)，如图6。

图5 基于QFT和傅里叶变换计算的频域比较

图6 傅里叶变换和QFT系数的比较

论文的最后表示，本论文是首次探索量子计算在车辆动力学和行驶工况分析中的应用。这项工作为其他基于傅里叶变换的量子机器工作负载铺平了道路。这些未来可能的用途包括解决各种高性能计算领域以及信号处理、压缩、声学和其他领域中使用的偏微分方程的所有问题。

虽然他们的结果很有希望，但这仍然是一个小的量子模拟器，实际上研究小组在这个过程中观察到了“显著的噪音”，这意味着他们必须创建和使用纠错机制。而这正是实用量子计算最重要的障碍之一。

另外，虽然傅里叶变换的量子模拟工作很有希望，但该团队表示，量子系统的可扩展性远未准备好用于可能具有现实意义的大规模项目，特别是在交通领域。例如，他们说，“即使是一个由1000辆车和64个路段组成的适度网络，也需要6000个量子比特，成本极高。”

尽管有明显的局限性，但他们认为，“这开始了量子计算的一个令人兴奋的前沿领域，它对车辆动力学、交通规划和交通管理具有重大影响。这有助于快速识别问题并确定最佳应对措施，从而有助于减少拥堵、排放和提高安全性。”

参考链接：

[1]https://www.nextplatform.com/2021/08/10/quantum-takes-the-scenic-route-in-automotive/

[2]https://assets.researchsquare.com/files/rs-772223/v1_covered.pdf?c=1628091229

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