Как Microsoft может переопределить энергетику с помощью квантовых вычислений
Ожидается, что эта технология позволит снизить выбросы и создать более эффективные системы электроснабжения.
Правительства и технологические компании вкладывают значительные средства в квантовые вычисления в надежде, что они произведут революцию в криптографии, машинном обучении, химии, коммуникации и других областях. Но я был удивлен, узнав, что широко обсуждаемая технология также может оказать большое влияние на энергетику, что приведет к появлению более чистого топлива, снижению выбросов и более эффективным системам электроснабжения.
В ноябре я разговаривал с Кристой М. Свор, генеральным менеджером Microsoft Quantum, чтобы узнать больше о влиянии квантовых вычислений на энергетический сектор. Свор была назначен в августе в Консультативный комитет Национальной квантовой инициативы Министерства энергетики США, который консультирует президента и министра энергетики.
Как и другие компании, Microsoft работает над масштабированием своего квантового оборудования, чтобы обеспечить компьютеры с широким спектром возможностей и большим ускорением по сравнению с классическими компьютерами. Свор говорит, что компания работает с другими компаниями по всему миру, чтобы создать полный квантовый “стек”—от приложений и программного обеспечения до управления и устройств. Некоторые исследователи работают над тем, чтобы понять, может ли квантовый код, запущенный на данный момент на обычных компьютерах, дать энергетике опору.
Недавно Microsoft объявила, что общедоступная экосистема Azure Quantum доступна для широкой публики. В своем блоге Svore Microsoft Quantum предложила разработчикам приложений и исследователям начать использовать платформу—шаг, который, как ожидается, ускорит многие квантовые приложения.
“Это захватывающее время для квантовой информатики", - говорит Свор. “Квантовые вычисления переосмысливают то, что возможно с помощью технологий, создавая беспрецедентные возможности для решения некоторых из самых сложных проблем человечества.”
БОЛЬШОЕ ПРЕИМУЩЕСТВО
Ожидается, что новое поколение компьютеров преуспеет в моделировании квантовых систем, таких как молекулы. Это должно оказать большое влияние на энергетический сектор.
“Мы видим огромный потенциал в областях, ведущих к более чистому топливу, сокращению выбросов и энергоэффективности”, - говорит Своре.
Помимо всего прочего, квантовые компьютеры, как ожидается, помогут в развитии химии и материалов, намного превосходящих возможности современных суперкомпьютеров. Возможности моделирования могли бы помочь исследователям создать батареи с большей емкостью хранения; и высокотемпературные сверхпроводники, которые могли бы быть использованы для новых катализаторов, которые могли бы преобразовать и оптимизировать альтернативные источники топлива. Квантовые вычисления могут быть использованы для моделирования климата, например, для поиска потенциальных мест расположения ветровых потоков, которые помогут в разработке новых источников энергии ветра. Это потребует сбора исторических данных и внедрения их в определенные модели.
Приложения квантовых вычислений идеально подходят для таких процессов и дают результаты с высоким разрешением и калибровкой с реальными данными. Кроме того, такие приложения могут загружать данные в геоинформационные системы для лучших местоположений ветряных турбин.
Еще большее и более непосредственное влияние могут оказать современные интеллектуальные сети. Оптимизация наилучшего надежного и доступного источника электроэнергии с высокой эффективностью в системах производства и передачи электроэнергии в крупных электросетях с использованием современных компьютеров является дорогостоящей и практически невозможной задачей. Сетевые операторы сегодня изо всех сил пытаются найти лучший способ справиться с притоком возобновляемых источников энергии. В настоящее время коммунальные службы соглашаются на решения, которые не являются оптимальными.
Особенно трудно оптимизировать гибридные системы, сочетающие в себе несколько возобновляемых источников энергии. Например, сеть, которая включает в себя как ветровую, так и солнечную энергию, имеет преимущество в поставке менее дорогой энергии, пока светит солнце и дует ветер. Но чтобы удовлетворить потребности потребителей в энергии ночью или в спокойные дни, сетям необходимо использовать накопленную энергию или наращивать производство энергии из других ресурсов. Автоматизированная интеллектуальная система, которая могла бы отслеживать спрос, предсказывать пики потребления, координировать хранение энергии и управлять ресурсами, могла бы значительно повысить эффективность и таким образом проложить путь к более дешевой и надежной энергии.
В отличие от современных суперкомпьютеров, квантовые компьютеры обещают выполнять эту оптимизацию в реальном времени. Исследователи Microsoft уже занимаются грид-приложениями, создавая квантовый код, говорит Свор. Такой код отображается на обычное вычислительное оборудование, но в конечном итоге он может работать на масштабируемом квантовом оборудовании.
В июне 2018 года исследователи объявили, что разработали квантовый алгоритм для решения задачи оптимизации, которая направлена на определение наилучших генерирующих ресурсов для работы на основе прогнозируемых нагрузок, а также эффективности производства электроэнергии и ограничений мощности. Приверженность энергоблоков остается одной из наиболее существенных проблем в управлении энергосистемой.
Команда Microsoft продемонстрировала свой алгоритм, который превосходит более мощные классические решатели. Когда станут доступны масштабированные квантовые компьютеры и алгоритм будет работать на них, появится еще большее преимущество.
ИЗУЧЕНИЕ РЕШЕНИЙ В ДУБАЕ
В 2019 году компания официально оформила свою квантовую сеть-коалицию групп и отдельных лиц, работающих над этой технологией. Одним из членов является Дубайское Управление по электричеству и водоснабжению, которое тесно сотрудничает с Microsoft в изучении квантовых решений для энергетических приложений.
DEWA имеет доступ к новым квантовым сервисам в квантовом облаке Azure и может использовать его для программирования и тестирования алгоритмов. Затем утилита будет применять решения для достижения реальных результатов еще до того, как будет доступно масштабируемое квантовое оборудование, говорит Свор. Qubit Engineering, стартап в Ноксвилле, штат Теннесси, использует Azure Quantum для моделирования турбулентности воздуха вокруг роторов ветряных мельниц. Ветряные мельницы, которые неправильно размещены, могут нарушить воздушный поток. Кубит использует квантовый код для расчета оптимального размещения.
ПРЕДСТОЯЩИЕ ЗАДАЧИ
Квантовым вычислениям еще предстоит преодолеть множество препятствий.
Свор говорит, что возможность запускать квантовые решения на квантовом оборудовании существует сегодня через партнеров Microsoft по аппаратному обеспечению. Honeywell Quantum Solutions, например, предлагает доступ к своим квантовым системам с захваченными ионами, которые используют измерение средней цепи и повторное использование кубитов, что позволяет разработчикам эффективно писать алгоритмы.
Стартап IonQ разрабатывает квантовый компьютер с захваченными ионами и программное обеспечение для генерации, оптимизации и выполнения квантовых схем. Благодаря облачному доступу через Azure Quantum система IonQ может быть использована для ускорения исследований в области решения проблем химии, медицины, финансов и логистики.
Квантовые оптимизационные решения могут быть использованы для повышения скорости и точности алгоритмов, работающих на классических компьютерах, говорит Своре. Канадская компания 1QBit создает аппаратно-агностическое программное обеспечение, которое позволяет приложениям постоянно извлекать выгоду из достижений как квантового, так и классического оборудования, особенно в области материаловедения.
Дэвид Рейли из Microsoft возглавляет группу исследователей, в том числе из Университета Сиднея, которая разработала новый подход к решению аппаратной части квантового компьютера, говорит Свор. Вместо того чтобы использовать стойку электроники комнатной температуры для генерации импульсов напряжения для управления кубитами в специальном холодильнике, базовая температура которого в 20 раз холоднее межзвездного пространства, они изобрели контрольный чип Gooseberry. Он находится рядом с квантовым устройством и работает в экстремальных условиях, преобладающих в основании холодильника.
Команда также разработала универсальное криокомпьютерное ядро, которое работает при несколько более теплых температурах, сравнимых с температурой межзвездного пространства, что может быть достигнуто погружением в жидкий гелий. Ядро выполняет классические вычисления, необходимые для определения инструкций. Новые классические вычислительные технологии решают кошмары ввода-вывода, связанные с управлением тысячами кубитов, говорит Свор.
Квантовый скачок
Приложения квантовых вычислений обещают значительно повлиять на вычислительные системы энергетических систем. Когда это произойдет? Это зависит от прогресса исследований, которые, как ожидается, в конечном итоге, позволят энергетическим системам функционировать, и функционировать совершенно по-другому. То, как мы вырабатываем электричество, будет дешевле и чище. Кроме того, способ распределения энергии будет быстрее и проще.
Если мы хотим видеть светлое будущее и массовую адаптацию квантовых компьютеров в ближайшие 20 лет, важно продолжать вкладывать значительные средства в эту область, как это сделала Microsoft, чтобы сделать технологию доступной для тех, кто планирует наше будущее.
Старший член IEEE Qusi Alqarqaz-инженер-электрик с более чем 28 - летним опытом работы в электроэнергетике. Он является сотрудником Института и входит в его редакционно - консультативный совет.
Членство в IEEE предлагает широкий спектр преимуществ и возможностей для тех, кто разделяет общий интерес к технологиям. Если вы еще не являетесь членом IEEE, подумайте о том, чтобы присоединиться к IEEE и стать частью всемирной сети, насчитывающей более 400 000 студентов и специалистов.