0的突破！量子计算机首次用于电网计算问题
光子盒研究院出品
相比经典计算机，量子计算可能以指数级的加速解决许多计算问题。随着我们的能源越来越多地来自风力涡轮机和光伏系统，计算并确保电网稳定以及防止电缆和变压器过载问题变得更加复杂。我们需要新的工具来大力加快电力系统的计算：优化和安全评估等问题都可以从量子计算中受益。
近日，丹麦技术大学（DTU）的一个研究团队首次使用量子计算机进行了电网计算：使用五种不同的量子计算机，应用HHL量子算法并研究了当前噪声量子硬件对AC潮流算法（Power Flow Algorithms）的准确性、速度的影响。他们在具有真实量子计算机的3总线（3-bus）和5总线（5-bus）系统上执行了相同的研究，以确定与这些算法的可扩展性相关挑战和开放研究问题。
6月16日，相关论文《潮流算法的量子计算：在真实量子计算机上的测试》的预印版发表在arXiv网站上[1]。
潮流问题与电流在网状电网中的分布方式有关，构成了电网中大量高级计算的基础。然而，潮流问题背后的新算法需要新的工具，这是当今超级计算机无法完成的，因此DTU研究人员决定利用量子计算机去开拓更多的可能性。尽管已有其他研究人员使用模拟量子计算机处理了类似问题，但从未在真实量子计算机上完成过。
“我们想研究如何使用量子计算机来对日益复杂的电力系统进行建模。因此，最初我们设置了一个小型测试用例：在四台不同的量子计算机上运行，以确保我们的结果是有效的。”此次实验的领导者Brynjar Sævarsson说[2]。
用于解决3总线系统的量子潮流(QPF)的量子HHL电路。电路中的模块：制备数据向量（Load b），量子相位估计（QPE），条件旋转（1/x）和反QPE（QPE_dg）。最后，每个量子比特被测量，结果被存储在一个经典的5比特寄存器中，其中“meas 0”是最不重要的比特，“meas 4”是最重要的比特。
Sævarsson的团队使用了IBM在线提供的具有五个量子比特的、相对较小的量子计算机完成了实验。潮流应用是在IBM的Qiskit（0.34.1）实现的，3总线系统在下表所列的4台IBM的开放性量子计算机上进行测试：ibmq_lima、ibmq_belem、ibmq_quito和ibmq_bogota。
表中列出的量子计算机有不同的规模、配置和错误率；其中，量子体积（QV）是衡量设备性能的一个标准，与底层技术或量子比特的数量无关。
用于测试量子潮流的量子计算机。
经过一系列实验，该团队首次在真实NISQ量子计算机上成功实现并测试了量子AC潮流应用；表明目前的硬件能够为小型测试系统执行潮流算法。
但可扩展性目前是一个主要问题。“此外，量子计算机仍然会产生与计算相关的大量噪声，噪声会影响结果的精度；同时，小型五量子比特计算机相对较慢。然而，我们的研究结果毫无疑问地证实了量子计算机是一种专用工具，将来会更好地用在电力系统中执行部分计算。”Sævarsson说。
因此，在未来的研究中，研究人员将研究量子计算机可用于哪些计算。最初的想法是将复杂的任务（包括许多同时并行操作、许多不同的值以及涉及不确定性的计算）移交给量子计算机。这首先需要电力系统量子计算背后的研究人员进行开发工作，以及对量子计算机的技术改进。
Sævarsson说：“上述领域正在迅速发展，我相信在未来我们将对量子计算机发挥重要作用的电力系统进行计算。它们可以做普通计算机做不到的事情，这意味着我们可以开发基于可再生能源的安全稳定电力系统所需的工具，我现在正在开始这个过程。”
此次IBM和DTU已经在该项目上进行了良好的合作，接下来的实验可能会在与IBM及其最新版本量子计算机进行更密切的合作中完成。
参考链接：
[1]https://arxiv.org/abs/2204.14028
[2]https://www.dtu.dk/english/news/all-news/dtu-first-to-use-quantum-computer-for-the-power-grid?id=f1c26196-6390-4065-a0da-0de55b4ab8b1