各國政府和科技公司一直在量子計算方面進(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，廣為人知的量子計算技術(shù)也可能對電力行業(yè)產(chǎn)生巨大影響，從而帶來更清潔的燃料，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)量子計算對能源行業(yè)的影響的更多信息，斯沃爾(Svore)于八月被任命為美國能源部國家量子計劃咨詢委員會(National Quantum Initiative Advisory Committee)的成員，該委員會為總統(tǒng)和能源部長提供建議。
與其他公司一樣，Microsoft正在努力擴(kuò)展其量子硬件，以使新型計算機(jī)具有比傳統(tǒng)計算機(jī)更多更大的功能范圍并大大提高計算速度，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，建立一個完整的“堆?！?。一些研究人員正在努力研究目前在常規(guī)計算機(jī)上運行的量子啟發(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放公共生態(tài)系統(tǒng)Azure Quantum，在Svore的博客文章中，Microsoft Quantum邀請了應(yīng)用程序開發(fā)人員和研究人員開始使用該平臺，這一步驟有望加速許多量子應(yīng)用程序。
Svore說：“進(jìn)入量子信息科學(xué)領(lǐng)域是一個令人興奮的時刻”，“量子計算正在重新定義技術(shù)的可能性—創(chuàng)造了前所未有的可能性來解決人類最復(fù)雜的挑戰(zhàn)。”
巨大的優(yōu)勢
新型計算機(jī)有望在模擬量子系統(tǒng)(例如分子)方面表現(xiàn)出色，這將對能源部門產(chǎn)生重大影響。Svore說：“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。”
量子計算機(jī)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)今超級計算機(jī)的能力來幫助化學(xué)和材料開發(fā)；仿真功能可以幫助研究人員制造具有更大存儲容量的電池；高溫超導(dǎo)體，可用于優(yōu)化可替代燃料的新型催化劑；量子計算可用于氣候建模，例如，尋找有助于設(shè)計新的風(fēng)能源的潛在風(fēng)流位置，這將需要收集歷史數(shù)據(jù)并將其實施到某些模型中。
量子計算應(yīng)用程序是此類過程的理想選擇，并可以使用真實數(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)中可能會看到更大，更直接的影響，使用當(dāng)今的計算機(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)運營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力系統(tǒng)尤其難以優(yōu)化。例如，既包含風(fēng)能又包含太陽能的電網(wǎng)，其優(yōu)點是，只要太陽照耀，風(fēng)吹來，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)測消耗高峰，協(xié)調(diào)能量存儲和管理資源的自動化智能系統(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)的超級計算機(jī)不同，量子計算機(jī)有望實現(xiàn)實時優(yōu)化，斯托夫說，微軟研究人員已經(jīng)通過創(chuàng)建量子啟發(fā)式代碼來解決電網(wǎng)應(yīng)用，這樣的代碼被映射到常規(guī)計算硬件。
2018年6月，研究人員宣布他們已設(shè)計出一種量子啟發(fā)式算法來實現(xiàn)機(jī)組組合，這是一個優(yōu)化問題，旨在根據(jù)預(yù)測的負(fù)載以及發(fā)電效率和容量限制來確定要運行的最佳發(fā)電資源。機(jī)組組合仍然是電力系統(tǒng)管理中最重要的問題之一。
微軟團(tuán)隊展示了其算法，該算法優(yōu)于更強(qiáng)大的經(jīng)典求解器。當(dāng)大規(guī)模量子計算機(jī)變得可用并且算法在它們上面運行時，將會有更大的優(yōu)勢。
未來的挑戰(zhàn)
量子計算仍然有許多障礙需要克服。
Svore說，如今，通過微軟的硬件合作伙伴，可以在量子硬件上運行量子啟發(fā)式解決方案。例如，霍尼韋爾量子解決方案可以訪問其離子量子系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用中間電路測量量子重用，使開發(fā)人員能夠以有效的方式編寫算法。
初創(chuàng)公司IonQ正在開發(fā)一種離子量子計算機(jī)和軟件，以生成，優(yōu)化和執(zhí)行量子電路。通過Azure Quantum進(jìn)行基于云的訪問，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題。
Svore說，受量子啟發(fā)的優(yōu)化解決方案可用于提高經(jīng)典計算機(jī)上運行的算法的速度和準(zhǔn)確性。加拿大公司1QBit開發(fā)了與硬件無關(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)開發(fā)出一種解決量子計算機(jī)硬件方面的新穎方法，他們發(fā)明了控制芯片Gooseberry，該團(tuán)隊還開發(fā)了一種通用的低溫計算核心，該核心可以在比星際空間稍高的溫度下工作，這可以通過浸入液態(tài)氦中來實現(xiàn)，Svore說，新穎的經(jīng)典計算技術(shù)解決了與控制數(shù)千個量子位相關(guān)的I/O噩夢。
量子飛躍
量子計算應(yīng)用程序有望極大地影響電力系統(tǒng)計算。什么時候會發(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行和運行。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20年內(nèi)看到光明的未來并大規(guī)模應(yīng)用量子計算機(jī)，那么像Microsoft所做的那樣，繼續(xù)在該領(lǐng)域進(jìn)行大量投資對于未來的人們可以使用該技術(shù)非常重要
