量子计算机可以加速向净零电网的过渡

英国国家电网等电网运营商依靠高性能计算机来规划电网扩张，并安排何时从不同来源生产能源。由于向净零碳排放的过渡，这些问题变得越来越大、越来越复杂，现在甚至已经达到了世界上最大的超级计算机的极限。

量子计算开辟了一条新的进步之路。我在牛津大学的研究小组正在研究量子计算如何为净零转型提供价值。我和我的同事王祥月最近在《焦耳》杂志上发表了一篇论文，指出了量子计算在帮助优化净零电网规划和运营方面有希望的机会。

未来五年，国家电网计划投入300亿英镑更新电网基础设施，作为英国向脱碳电网过渡的一部分。国家电网还计划对风能、太阳能、核能和电池等低碳技术进行大规模投资。此外，还将在当地配电网中增加数百万辆电动汽车(EV)和热泵，以实现交通和供暖脱碳。

规划决策，包括在哪里建设可再生能源、何时升级输电线路以及如​​何推出电动汽车充电器，将直接影响我们的能源账单有多高、人们遭遇断电的频率以及英国实现净零排放目标的速度。由于电网投资了数十亿美元，电网规划人员必须了解如何明智地使用这些资金。

除了电网规划之外，运营净零电网也是一个具有挑战性的优化问题，因为电网电力流必须与需求相匹配，同时始终保持在安全限度内。否则，电网将面临断电风险。由于风能和太阳能发电的多变性和不确定性，这变得越来越困难。

另一个挑战是交通和供暖的电气化，这将使人们下班回家时的需求集中起来。一个解决方案是调整电动汽车充电时间和热泵运行时间。数百万家庭的用电小幅变化加起来，相当于大型发电厂的产出。然而，这大大增加了电网中需要调度的设备数量，使调度变得更加困难。

创新竞赛

2019年，谷歌展示了量子霸权——解决了传统计算机无法在短时间内解决的问题——在200秒内解决了一个物理模拟问题。使用当时已知的最佳算法，一台同等性能的传统超级计算机需要10,000年才能解决同一个问题。这引发了研究人员之间的持续竞赛，他们致力于拓展传统计算和量子计算的极限。量子计算机现已达到规模和成熟度，可以为制药和金融等行业提供切实的价值。

传统计算机将信息存储在比特串中，每个比特的值为0或1。对比特的逻辑运算用于计算。在量子计算机中，信息的基本单位是量子比特或“量子位”。量子位可以通过多种方式构建，例如使用超导电路或激光捕获的原子。

测量时，量子比特会像传统比特一样读为0或1。然而，在量子计算机中，量子比特可以利用量子物理原理(即控制亚原子粒子行为的定律)来控制。这使得量子计算机能够仅用几个量子比特来表示大量传统信息，并执行传统计算机几乎不可能完成的特定类型的计算。

研究人员将量子计算描述为处于嘈杂的中尺度量子(NISQ)时代。大型通用量子计算机预计至少在十年内仍无法实现。然而，NISQ设备已经在组合电网优化问题中显示出前景。这些问题具有相互关联的是或否决策，可产生指数级的可能性，例如决定在哪里建造新发电机、升级哪些输电线路以及启动或关闭哪些特定发电厂。

量子计算还有更广泛的机会尚未得到充分开发。量子计算可以加速电网电力流的模拟和优化。它还可以加速机器学习——使用在接触数据时提高性能的算法。这可以帮助电网运营商利用大量智能电表数据来改进预测、调度和规划。对于小型NISQ设备，一种有前途的方法是将它们与大型经典计算机组合起来，并使用它们来加速最适合量子计算的复杂算法的特定部分。

尽管电网量子计算研究还处于早期阶段，但业界已开始开发量子算法，以实现电网扩展和电动汽车充电的智能调度。

考虑到脱碳的目标，量子计算机所需的能源是一个潜在的问题，尤其是冷却所需的能源，因为量子计算机通常需要极低的温度(接近绝对零度或-273.15°C)才能可靠运行。然而，研究表明，当量子计算机能够使用比传统计算机少得多的运算来解决问题时，这也可以节省能源。例如，谷歌的量子霸权演示不仅大大提高了计算速度，而且还将能耗降低了557,000倍。