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历史性时刻！量子计算机首次连接电网
光子盒研究院
电力系统的规模和连接非常复杂，即使是超级计算机也很难有效地解决某些优化问题；但量子计算机的表现可能会更好。现在，研究人员可以进一步探索这一前景——这要归功于量子计算机和电网设备之间的软件接口。
美国国家可再生能源实验室（NREL）的一个团队在能源部能效和可再生能源办公室的资助下，与RTDS Technologies Inc.公司和Atom Computing公司合作，实现了从量子到电网的连接。
这种能力不仅限于能源设备：通过NREL的集成能源系统高级研究（Advanced Research on Integrated Energy Systems，ARIES），研究人员可以在现实中的电力系统中运行圈量子(quantum in-the-loop)实验。
圈量子可能是利用量子计算优化电网运行的下一个重要步骤，因为分布式能源资源的互联日益复杂。
该研究团队在科罗拉多州博尔德附近使用RTDS实时电网模拟器堆栈和Atom Computing的解决方案堆栈（该解决方案堆栈利用了Atom Computing的原子阵列量子计算技术）成功地首次展示了他们的开源接口。他们的演示标志着量子计算和电力系统的历史性时刻：量子计算技术首次被集成到动态电网研究平台中，为电网和硬件验证开辟了新的视野。
“为了评估下一代通信协议的安全性，并验证当前和未来的量子算法，建立一个具有实际硬件和高速通信的真实世界仿真环境至关重要。”ARIES研究顾问Rob Hovsapian说：“这正是我们在ARIES开发的圈量子环境。”
该研究团队的圈量子框架的动力来自于过去的研究成果，即量子算法非常适合电力系统的复杂性，尤其是令经典计算机难以承受的大型优化问题。随着分布式能源的激增和电力流的双向化，此类复杂问题越来越常见。
NREL的电力系统工程师Sayonsom Chanda表示：“现在能源的生产和供应方式非常多，处理如此多的输入和输出非常重要，但基于经典计算的优化器并不是为了处理输入参数的指数级增长而设计的，而在未来二十年内，该行业预计将见证这种增长。”
“我们谈论的是数百万个输入和输出；这正是经典计算机开始显示其极限和量子计算机开始显示其优势的时候。”
在建立电网模型时，每辆电动汽车、家用电器或传感器都是一个潜在变量。它们的数据以错综复杂的方式相互影响、共同发展，甚至连查询电网的可用电力都变得难以计算。新接口简化了将优化问题转化为量子变量的过程，并促进了量子计算机与电力系统仿真之间的互联、通信。
随着人们对量子计算的兴趣日益浓厚，该接口将帮助科学家对量子计算机能够解决的问题进行分类，并在现场实验中对其进行评估。
对于这一点，Hovsapian解释道：“举例来说，设想一个城市因为飓风来袭而必须疏散。突然之间，你必须围绕高效疏散做出决策，这取决于电动汽车的充电情况、它们离开城市的路径、充电站的可用性等。量子计算可能是这种多目标优化的关键，现在我们有了必要的工具来找出答案。”
量子物理学以概率和纠缠的概念为基础，提供了一种功能不同的、在某些情况下速度更快的计算形式。例如，量子格罗Grover算法理论上可以比任何已知的经典算法更高效地解决搜索问题。随着Atom Computing等公司取得了一系列技术成就，量子算法正在实际应用中接受测试，而电力系统是其中最诱人的领域之一。
“考虑一下当今能源系统中最具挑战性的一些问题：根据大型传感器网络做出决策；优化故障情况下的系统恢复；确保网络设备之间的通信安全。”Hovsapian说：“量子计算机可能擅长于这些核心应用，因此我们正在利用这个接口加速它们在电力系统中的应用。”
NREL和其他研究机构定期通过硬件在环验证新的电力技术，但圈量子技术在此之前从未出现过。该演示依赖于几种特殊的能力：NREL提供了九台数字实时模拟器，通过ESnet网络与Atom Computing的量子仿真器进行通信，并最终与其原型系统Phoenix进行通信。
连接这两个站点的是新开发的接口：一种用于解释、转换和实时传输两端数据的软件。
在NREL团队撰写的题为“Architecture for Quantum-in-the Loop Real-Time Simulations for Designing Resilient Smart Grids”的文章中，Chanda和Hovsapian严谨地解释了接口的设计，并提供了一个示例：电动汽车充电协调。
文章指出：“研究人员可以利用量子计算机开发和实现量子近似优化算法或变分量子优解算法。这些高性能代码片段将帮助研究人员弥合经典计算机和量子计算机之间的计算差距，并且将主要基于QISKIT、QMuTPy和Queso等熟悉的开源框架。”
除了与量子计算平台的技术无关外，该界面还与所有实时数字仿真平台兼容。用户可以通过网络浏览器和友好的用户界面与软件交互，设置所需的优化值、调整量子算法和检索量子比特测量值。
现在，作者正计划在GitHub上公开发布代码。
量子计算仍处于非常早期的阶段，其对电力系统的价值仍未得到证实，但这正是该界面如此有用的原因：围绕量子计算的所有理论和期望现在都可以通过实验进行评估。
“对于电力公司来说，实地测试和采用下一代技术至关重要，量子计算也不例外。这个接口将是未来研究新兴电网问题的推动力。”
圈量子尤其适用于ARIES，它与其他在环技术（如商业可再生能源、系统控制器、超级计算机驱动的仿真、传感器和变电站设备）共同发挥作用。对于电力系统实验而言，ARIES尽可能接近真实情况，并且还在继续扩展：到明年，ARIES将具备控制10,000台能源设备的能力。这种能力为评估量子算法和推动电力系统的进步提供了独特而关键的真实性。
当然，研究人员表示：“我们要解决的第一个优化问题是如何最好地从不同来源获取电力。有些资源更接近某些负载，而有些资源的部署则更具经济意义。也许量子计算可以确定如何快速切换电源，以提高弹性和效率。”
尽管我们仍处于量子计算的黎明期，现在看来，美国能源部和NREL已经消除了将这一充满希望的技术引入能源系统的重要障碍。
参考链接：[1]https://www.nrel.gov/aries/index.html[2]https://www.nrel.gov/news/program/2023/quantum-computers-can-now-interface-with-power-grid-equipment.html[3]https://ieeexplore.ieee.org/document/10108354[4]https://atom-computing.com/