Computadores quânticos podem acelerar a transição energética

POR THOMAS MORSTYN

As operadoras de redes elétricas, porquê a National Grid do Reino Unificado – e o Operador Pátrio do Sistema (ONS) no Brasil –, dependem de computadores de tá desempenho para planejar as expansões da rede e programar quando a robustez deve ser produzida a partir de diferentes fontes. Esses problemas estão se tornando maiores e mais complexos devido à transição para emissões líquidas zero de carbono (“ net zero
”, ou “carbono zero”), e agora estão atingindo os limites até mesmo dos mais poderosos supercomputadores do mundo.

A computação quântica, no entanto, pode perfurar uma novidade avenida para avanços neste sentido. Meu grupo de pesquisa na Universidade de Oxford investiga porquê a computação quântica pode oferecer valor para a transição para o carbono zero. Meu colega Xiangyue Wang e eu publicamos recentemente um cláusula na revista

Joule

que identifica oportunidades promissoras para que a computação quântica ajude a otimizar o planejamento e a operação de redes de robustez net zero
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Nos próximos cinco anos, a National Grid planeja gastar £ 30 bilhões na atualização da infraestrutura da rede elétrica porquê segmento da transição do Reino Unificado para uma rede descarbonizada. Grandes investimentos também estão planejados para tecnologias de grave carbono, incluindo robustez eólica, solar, nuclear e baterias. Aliás, milhões de veículos elétricos (EVs) e bombas de calor serão adicionados às redes de distribuição locais para descarbonizar o transporte e o aquecimento.

As decisões de planejamento, incluindo onde erigir geradoras de energias renováveis, quando atualizar as linhas de transmissão elétrica e porquê implantar carregadores de EVs, afetarão diretamente o valor de nossas contas de robustez, a frequência com que as pessoas passam por cortes no fornecimento e a rapidez com que o Reino Unificado pode atingir suas metas de carbono zero. Com bilhões sendo investidos na rede, é fundamental que os planejadores entendam porquê gastar esse quantia com sabedoria.

Além do planejamento da rede, a operação de uma rede net zero
também é um problema de otimização provocador, pois os fluxos de robustez da rede devem corresponder à demanda e, ao mesmo tempo, permanecerem dentro de limites seguros o tempo todo. Caso contrário, a rede corre o risco de tolerar interrupções no funcionamento. Isso está se tornando mais difícil devido à versatilidade e à incerteza das gerações eólica e solar.

Outro repto é a eletrificação do transporte e do aquecimento, que concentra a demanda quando as pessoas chegam em morada depois do trabalho. Uma solução é ajustar quando os veículos elétricos são carregados e quando as bombas de calor são acionadas. Pequenas mudanças no uso, somadas em milhões de residências, podem ser equivalentes à produção de grandes usinas de robustez. Entretanto, isso aumenta significativamente o número de dispositivos na rede que precisam ser programados, tornando a programação muito mais difícil.

A corrida para inovar

Em 2019, o Google demonstrou a supremacia quântica
 – resolvendo um problema que nenhum computador clássico poderia resolver em um período de tempo viável – ao concluir um problema de simulação de física em 200 segundos. Esse mesmo problema teria levado 10 milénio anos para ser resolvido por um supercomputador clássico equivalente usando o melhor algoritmo espargido na estação.

Isso deu início a uma corrida contínua entre pesquisadores que trabalham para expandir os limites da computação clássica e da computação quântica. Os computadores quânticos estão agora atingindo a graduação e a maturidade em que podem oferecer valor tangível para alguns setores da economia, inclusive farmacêutico e financeiro.

Vantagens dos computadores quânticos

Os computadores clássicos armazenam informações em cadeias de bits, em que cada bit tem um valor de 0 ou 1. As operações lógicas em bits são usadas para computação. Em um computador quântico, a unidade básica de informação é o bit quântico, ou “qubit”. Os qubits podem ser construídos de várias maneiras, por exemplo, usando circuitos supercondutores ou átomos aprisionados por lasers.

Quando medido, um qubit será lido porquê 0 ou 1, exatamente porquê um bit clássico. Entretanto, em um computador quântico, os qubits podem ser controlados usando os princípios da física quântica – as leis que regem o comportamento das partículas subatômicas. Isso permite que os computadores quânticos representem grandes quantidades de informações clássicas com somente alguns qubits e realizem tipos específicos de cálculos que são praticamente impossíveis para os computadores clássicos.

Os pesquisadores descrevem a computação quântica porquê estando na “era do quantum de graduação intermediária ruidosa” (NISQ). Espera-se que computadores quânticos grandes e de uso universal permaneçam fora de alcance por pelo menos uma dez. Entretanto, os dispositivos NISQ já se mostram promissores para problemas de otimização de grade combinatória. Esses são problemas com decisões interligadas de sim ou não que criam um conjunto exponencialmente grande de possibilidades, porquê deliberar onde erigir novas unidades de geração, quais linhas de transmissão atualizar e quais usinas elétricas específicas devem ser iniciadas ou desligadas.

Simulações em rede

Há também um conjunto mais extenso de oportunidades em que a computação quântica é pouco explorada. A computação quântica poderia correr a simulação e a otimização dos fluxos de robustez da rede. Ela também poderia correr o estágio de máquina – o uso de algoritmos que melhoram seu desempenho quando expostos a dados. Isso poderia ajudar os operadores de rede a usar dados de medidores inteligentes de grande volume para melhorar a previsão, a programação e o planejamento. Com pequenos dispositivos NISQ, uma abordagem promissora é uni-los a grandes computadores clássicos e usá-los para correr partes específicas de algoritmos complexos que são mais adequados à computação quântica.

Apesar do estágio inicial da pesquisa de computação quântica na rede elétrica, já existem iniciativas do setor em curso para desenvolver algoritmos quânticos que poderiam permitir a expansão da rede e a programação inteligente de carregamento de EVs.

Considerando a meta de descarbonização, a robustez necessária para os computadores quânticos é uma provável preocupação, principalmente a robustez para resfriamento, já que os computadores quânticos geralmente exigem temperaturas extremamente baixas (perto do zero integral ou -273,15 °C) para uma operação confiável.

Entretanto, pesquisas indicam que quando um computador quântico consegue resolver um problema usando muito menos operações do que um computador clássico, isso também pode poupar robustez. Por exemplo, a mostra de supremacia quântica do Google não só aumentou enormemente a velocidade da computação, mas também reduziu o uso de robustez em um fator de 557 milénio.

Thomas Morstyn
– Professor associado em Sistemas de Robustez, Departamento de Ciências da Engenharia, Universidade de Oxford, Reino Unificado

Oriente texto foi republicado de The Conversation
sob uma licença Creative Commons. Leia o cláusula original
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Foto: Jamesteohart

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