Кубиты для энергетики

Чем нас порадуют квантовые программисты?
18.05.2021
Мария Суханова

Полноценный квантовый компьютер, позволяющий решать реальные прикладные задачи, ещё не создан, но для таких систем уже разрабатываются различные алгоритмы, в том числе ориентированные на энергетический сектор.

Разведка донесла

В феврале этого года в блоге журнала IEEE Spectrum, издаваемого Институтом инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), появилась интересная информация. Член редколлегии журнала Куси Алькаркас рассказал о перспективах применения квантовых вычислений в электроэнергетике. Алькаркас, инженер-энергетик с более чем 28-летним стажем, много лет сотрудничает с IEEE, так что должен хорошо представлять себе текущее состояние дел в отрасли и магистральный путь её развития. Побеседовав с Кристой М. Своре, генеральным менеджером Microsoft Quantum, Алькаркас был очень воодушевлён: «Правительства и технологические компании много инвестируют в квантовые вычисления в надежде, что они произведут революцию в криптографии, машинном обучении, химии и других областях. Но меня удивило, что эта широко обсуждаемая технология может также повлиять на энергетику в плане получения чистого топлива, сокращения выбросов и повышения эффективности энергосистем».

Надо заметить, что разработки в области квантовой информатики поддерживаются Федеральным правительством США, и Министерство энергетики (Department of Energy, DOE) играет здесь одну из ключевых ролей. Согласно принятому в декабре 2018 года закону о национальной квантовой инициативе (National Quantum Initiative, NQI), на министерство наряду с Национальным институтом стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology) и Национальным научным фондом (National Science Foundation) возложена миссия по продвижению научно-исследовательских программ, направленных на развитие квантовых вычислений. А прошлым летом DOE совместно с правительственным бюро по научно-технической политике (Office of Science and Technology Policy) объявили о создании консультативного комитета по NQI, который должен консультировать президента и министра энергетики США. Криста Своре вошла в этот комитет как представитель Microsoft.

Новый принцип

Квантовые вычисления обещают многократно ускорить обработку данных благодаря изменению принципов работы компьютера. Совсем кратко: в качестве основной единицы хранения информации используется квантовый бит, или кубит (Qbit). Он, как и классический бит, допускает два полярных собственных состояния (обозначаемых как |0 и |1), но при этом может находиться и в их квантовой суперпозиции, что записывается формулой A|0)+B|1), где A и B - комплексные числа, удовлетворяющие условию |A|2+|B|2=1. При любом измерении (считывании информации) кубит с вероятностью |A|2 переходит в собственное состояние |0 и с вероятностью |B|2 - в собственное состояние |1; информация об исходном состоянии теряется, но о нём можно судить косвенно - по результатам измерения множества кубитов. Соответственно операции над кубитами отличаются от операций над битами, и как следствие для квантовых компьютеров должны создаваться принципиально иные алгоритмы и программы.

В квантовой вычислительной системе информация определяется
параметром состояния частицы, например спином

Пока серийных квантовых компьютеров нет, разработанный для них код запускают на обычных машинах с помощью эмуляторов (о сверхбыстром выполнении при этом, естественно, речи нет, но тестирование программ возможно). Необходимые платформы есть у нескольких компаний. В частности, Google (чей представитель также вошел в комитет по NQI) с 2014 года предлагает разработчикам облачный эмулятор Quantum Computing Playground, а Microsoft недавно полностью открыла для бизнеса доступ к своей облачной экосистеме Azure Quantum с языком программирования Q# и пакетом разработчика Quantum Development Kit.

В квантовом ажуре

Безусловно, моделирование молекул поможет химикам синтезировать вещества с нужными свойствами, в том числе и для топливно-энергетического комплекса, - материалы, позволяющие изготовить высокотемпературные сверхпроводники или аккумуляторы большой ёмкости, а также катализаторы, обеспечивающие более эффективное и экологически чистое сжигание топлива, переработку сырья и тому подобное. Моделируя климатические процессы, можно точнее рассчитывать параметры ветроэнергетических установок и лучше выбирать места для их размещения. Но больше всего надежд энергетики возлагают на квантовое моделирование больших энергосетей. Хотя термин «умная сеть» в ходу уже почти двадцать лет, для действительно интеллектуального управления электроснабжением машинам традиционной архитектуры зачастую просто-напросто не хватает вычислительной мощности. Между тем задача продолжает усложняться, поскольку растёт число и разнообразие источников энергии. Если первоначально сетевых операторов волновала по преимуществу неравномерность потребления электричества, то сейчас необходимо что-то предпринимать и по поводу неравномерности его выработки.

Одна из задач системного оператора, с трудом поддающаяся решению в рамках традиционной архитектуры, - это динамическое ранжирование генерирующего оборудования. Корпорация Microsoft в 2018 году продемонстрировала алгоритм для такого ранжирования, рассчитанный на реализацию на квантовом компьютере. В процессе испытаний он, как утверждается в блоге Алькаркаса, даже на эмуляторе показал лучшее быстродействие, чем классические решения. Таким образом, «квантовая» идеология оказалась полезна и сама по себе, без применения специального оборудования. В том же 2018 году к экосистеме Microsoft Quantum со своим проектом присоединилось Управление энергетики и водоснабжения Дубая (Dubai Electricity and Water Authority, DEWA), которое стало первым зарубежным участником программы. Цель проекта - построить автоматизированную интеллектуальную систему для комплексной оптимизации электроснабжения Дубая. Разработка ведётся в облаке Azure Quantum, и DEWA планирует применять созданное решение, не дожидаясь появления полномасштабных квантовых компьютеров.

Другой участник экосистемы - американский стартап Qubit Engineering из Ноксвилла (штат Теннеси) - моделирует в облаке Azure Quantum турбулентность воздушных потоков после ротора ветрогенератора, чтобы оптимально разместить установки и тем самым снизить потери.

Оборудование на подходе

Microsoft работает совместно с производителями аппаратного обеспечения, включая двух разработчиков квантовых компьютеров на ловушках для ионов - Honeywell Quantum Solutions и IonQ. Благодаря этому у пользователей Azure Quantum есть возможность протестировать свои программы на почти настоящем квантовом оборудовании.

Ещё один партнёр Microsoft - канадская компания 1QBit - работает над созданием аппаратно-независимой программной системы, всякий раз позволяющей приложениям использовать преимущества той аппаратной архитектуры (квантовой или классической), в которой они выполняются.

Наконец, группа исследователей из ряда учреждений, в том числе из Сиднейского университета, во главе с физиком Дэвидом Рейли из Microsoft разработала криогенный контроллер кубитов Gooseberry, способный работать при экстремально низкой температуре 0,1 К (-273,05 градусов Цельсия); это позволяет разместить контроллер в том же криостате, что и сами кубиты, а значит, существенно уменьшить физические размеры квантового компьютера и упростить его конфигурацию.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы