ستعمل الخوارزميات الكمومية على تحسين كفاءة شبكة الطاقة

تبرز الحوسبة الكمومية كواحدة من أسرع مجالات التكنولوجيا نموًا، وذلك بفضل الظواهر التي تحدث على المستوى الأساسي والتي لا يمكن وصفها وتفسيرها إلا من خلال ميكانيكا الكم، مثل التراكب والتشابك والتداخل. تعد قوة المعالجة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هائلة مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الرقمية الكلاسيكية التي تتيح تنفيذ الحسابات المعقدة بكفاءة أكبر. تبدو أجهزة الكمبيوتر الرقمية غير مناسبة لمعالجة بعض المشاكل المعقدة في الرياضيات والكيمياء والتنبؤ بالطقس والتشفير والأمن السيبراني وإدارة الشبكات والخدمات اللوجستية للنقل.

ما هي خوارزمية الكم؟

تتكون الخوارزمية الكلاسيكية غير الكمومية من نهج منظم لحل مشكلة معينة في شكل تسلسل محدود من التعليمات، مع تنفيذ كل تعليمات بواسطة أجهزة الكمبيوتر التقليدية. وبالمثل، لا تزال الخوارزمية الكمومية عبارة عن إجراء يتم تنفيذه خطوة بخطوة، ولكن يتم تنفيذ الخطوات على جهاز كمبيوتر كمي. حتى لو كان من الممكن تنفيذ الخوارزميات الكلاسيكية على كمبيوتر كمي يكرر أساسيات ميكانيكا الكم وتصحيح الأخطاء واكتشافها، فإن الخوارزميات الكمومية تستخدم بعض الميزات المتأصلة في الحساب الكمي، مثل التراكب أو التشابك.

خوارزميات الكم لإدارة الشبكة الكهربائية

لقد استكشف بعض الباحثين بالفعل إمكانات أجهزة الكمبيوتر الكمومية في تعزيز أداء شبكة الطاقة. تنشأ المشكلة الرئيسية من حقيقة أن تشغيل وصيانة الشبكة الحالية أمر مكلف للغاية ويستغرق وقتًا طويلاً. وتتفاقم مشكلة إدارة الشبكة أيضًا بسبب نشر مصادر الطاقة المتجددة، والتي من المقرر أن تضع ضغطًا إضافيًا على خطوط توزيع الطاقة. في الواقع، من المتوقع أن يرتفع الطلب العالمي على الكهرباء، مدفوعًا بالنمو الاقتصادي والتقدم التكنولوجي وضرورة التحول إلى مصادر الطاقة غير الأحفورية. ولوضع هذا في الاعتبار، يمكن أن يصل الطلب العالمي المتوقع على الكهرباء إلى قيمة قريبة من 35300 تيراواط/ساعة، من 22000 تيراواط/ساعة في عام 2017.

وشركات الطاقة، التي يعتمد الكثير منها على هوامش ربح ضيقة، لا تستطيع في كثير من الأحيان تحمل تكاليف استبدال المعدات القديمة، لذا فهي تستمر في إصلاحها، مما يجعل الشبكة أكثر عرضة لانقطاع التيار الكهربائي.

استجابة لاتفاقية باريس للمناخ، شرعت البلدان في جميع أنحاء العالم في تنفيذ سياسات الطاقة الخضراء التي تهدف إلى توليد الطاقة المتجددة بنسبة 100٪ مع صافي انبعاثات صفر بحلول عام 2050. وبالتالي، فإن موارد الطاقة الموزعة، بما في ذلك الخلايا الكهروضوئية وطواحين الهواء – وهي مصادر غير مؤكدة بحكم التعريف – سوف تصبح أكثر كفاءة. يمكن دمجها في شبكات الطاقة، وقد يشكل ذلك تحديات كبيرة لمشغلي النظام من حيث التنسيق والإدارة. إن شبكات الطاقة هي بالفعل أنظمة توزيع كبيرة وستنمو بشكل أكبر، لذا تصبح القرارات أكثر تعقيدًا أيضًا. ويجب أيضًا النظر في أحداث مثل الهجمات السيبرانية، التي أصبحت ممكنة بفضل تبادل البيانات على نطاق واسع بين أصحاب المصلحة والكيانات. ومن المفارقات أن الهجمات المستوحاة من الخوارزميات الكمومية قد تؤدي إلى كسر معظم خوارزميات التشفير في اتصالات بيانات نظام الطاقة بناءً على مشاكل رياضية مختلفة. في النهاية، سيتطلب تشغيل مثل هذه الأنظمة المعقدة استراتيجيات نمذجة جديدة وتقنيات حسابية رائدة لمختلف الوظائف، مثل التحكم والتحسين والتنبؤ.

أجهزة الكمبيوتر اليوم غير فعالة في إدارة هذه القضايا الكبيرة. تتنافس الشركات الشهيرة بما في ذلك IBM وGoogle وD-Wave وIntel وMicrosoft والعديد من الشركات الناشئة، مثل IonQ وRigetti، لبناء أكبر كمبيوتر كمي.

الاستخدام الحالي للحوسبة الكمومية بواسطة المرافق الكهربائية

تتجه شركات المرافق الكهربائية بثبات نحو توظيف الحوسبة الكمومية في مختلف المجالات. دخلت شركة Enel، وهي شركة طاقة إيطالية متعددة الجنسيات ولاعب رئيسي متكامل في أسواق الطاقة والغاز والطاقة المتجددة العالمية، في شراكة مع Data Response، وهي مؤسسة تقدم تحليلات بيانات متقدمة مدعومة بالذكاء الاصطناعي، لحل مشاكل التحسين التوافقي استنادًا إلى الثنائي التربيعي غير المقيد نموذج التحسين (QUBO). تقوم QUBO بإنشاء خطة مثالية لتعيين عدد كبير من التدخلات مع عدد محدود من الأطقم. إن تحسين التخطيط لأعمال الصيانة التي تجريها الفرق العاملة في المنطقة، من وجهة نظر حسابية، يعني التوفر الفوري وكفاءة أكبر في استخدام الموارد لتحقيق انخفاض كبير في التكاليف.

تعمل شركة E.ON ومقرها المملكة المتحدة مع شركة IBM Quantum لتنفيذ الحلول الكمومية لسير العمل المهم الخاص بها. وفقًا لشركة E.ON، لن يتم بعد الآن نقل الطاقة بشكل أحادي من شركة التوليد إلى المستخدم، ولكن المستقبل قد يشمل شركات وأسرًا أصغر حجمًا ستعمل على تغذية الشبكة بالطاقة – على سبيل المثال، عبر أنظمتها الكهروضوئية أو السيارات الكهربائية. ويمكن استخدام الحوسبة الكمومية للتحكم في هذه العمليات بشكل أكثر كفاءة وفعالية في المستقبل. وفي الوقت نفسه، يؤدي العدد المتزايد من السيارات الكهربائية إلى عمليات شحن أكثر تعقيدًا، والتي يمكن أن تساعد الحوسبة الكمومية في معالجتها.

قضية الفاسكرافت

في السباق لجعل الشبكات الكهربائية أكثر كفاءة، فازت شركة Phasecraft، وهي شركة ناشئة رائدة في مجال الخوارزميات الكمومية في المملكة المتحدة، بعقد من حكومة المملكة المتحدة بقيمة 1.2 مليون جنيه إسترليني لتحسين شبكات الطاقة باستخدام تكنولوجيا الكم، كجزء من صندوق Quantum Catalyst Fund، وهو واحد من ستة مشاريع فقط. إلى المرحلة التالية من المسابقة. بعد الانتهاء بنجاح من المرحلة الأولى، ستشهد المرحلة الثانية من هذا المشروع عمل Phasecraft مع وزارة أمن الطاقة وNet Zero لتحديد الأولويات ومحاولة معالجة مشكلات التحسين هذه باستخدام الحلول الكمية، مع التركيز بشكل خاص على تكاليف التشغيل. يعد بناء وصيانة اتصالات الشبكة أمرًا مكلفًا للغاية، إذ يصل تكلفته إلى 1.5 مليون جنيه إسترليني لكل كيلومتر من الخط. ويأتي العقد الجديد بعد عام ناجح للشركة الناشئة، التي جمعت 13 مليون جنيه إسترليني من تمويل السلسلة A في أغسطس للوصول إلى ميزة كمية عملية – عندما تتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في تطبيقات مفيدة في العالم الحقيقي.

والأمر اللافت للنظر هو أن صندوق التحفيز الكمي يهدف إلى التعجيل بتبني التقنيات الكمومية لتحويل الخدمات العامة. وكما لاحظ أندرو جريفيث، وزير الدولة للعلوم والبحث والابتكار، فإن “هذا التمويل الإضافي بقيمة 45 مليون جنيه إسترليني يؤكد التزامنا بدعم المبتكرين اللامعين في المملكة المتحدة الذين يتخطىون الحدود ويغتنمون إمكانات هذه التكنولوجيا لتحويل خدماتنا العامة.”

تصمم شركة Phasecraft، التي أسسها علماء الكم في عام 2019، خوارزميات كمومية جديدة لحل مشاكل العالم الحقيقي على أجهزة الكمبيوتر الكمومية غير الكاملة الموجودة اليوم، بهدف تسريع الاعتماد على نطاق واسع للحوسبة الكمومية من عقود إلى سنوات. تعتمد خوارزمياتها على رؤى جديدة من الفيزياء النظرية وعلوم الكمبيوتر، وينصب تركيز Phasecraft المبكر على تطبيق هذه التحسينات الخوارزمية على مشاكل النمذجة والمحاكاة، مثل تصميم واستخدام شبكات الطاقة المعقدة. واليوم، تعمل شركة Phasecraft بالشراكة مع شركات الأجهزة الكمومية الرائدة، بما في ذلك Google وIBM وRigetti، بالإضافة إلى القادة الأكاديميين والصناعيين.

المشاكل العملية التي يمكن للخوارزميات الكمومية معالجتها

التحسين وموازنة التحميل

يمكن للخوارزميات الكمومية أن تحل مشاكل التحسين المعقدة بكفاءة. في مسألة التحسين، نسعى للحصول على أفضل المجموعات الممكنة. مثال: “ما هو الطريق الأكثر فعالية الذي يجب على مندوب المبيعات المتنقل اتباعه لزيارة مدن مختلفة؟” يمكن للفيزياء أن تساعد في حل هذه الأنواع من المشاكل لأنها تتلخص في مشكلة تقليل الطاقة. إحدى القواعد الأساسية للفيزياء، بما في ذلك فيزياء الكم، هي أن كل شيء يميل إلى الوصول إلى حالة الطاقة الدنيا (أي جسم ينزلق إلى أسفل المنحدرات). يستخدم التلدين الكمي ببساطة فيزياء الكم للعثور على حالات منخفضة الطاقة لمشكلة ما، وبالتالي المزيج الأمثل أو شبه الأمثل من العناصر. بالنسبة للشبكات الذكية، يعني هذا موازنة أفضل للأحمال وتقليل فقدان الطاقة وتحسين توزيع الطاقة.

التنبؤ بالطاقة

يمكن للخوارزميات الكمومية، من خلال تعزيز عملية التنبؤ بالطلب والعرض من الطاقة، أن تساعد في تحقيق استقرار الشبكة وتخصيص الموارد بكفاءة. يمكن لنماذج التعلم الآلي الكمومية معالجة مجموعات كبيرة من البيانات وتحسين الدقة في التنبؤ بأنماط استهلاك الطاقة.

مرونة الشبكة والأمن

يوفر التشفير الكمي بروتوكولات أمان مستحقة. تعد الخوارزميات المقاومة للكم ضرورية لحماية البنية التحتية للشبكة الذكية من الهجمات من أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.

محاكاة الشبكة والنمذجة

يمكن لأجهزة المحاكاة الكمومية إنتاج نموذج دقيق لتدفق الطاقة وتحليل الأخطاء وتقييمات الاستقرار. تمكن عمليات المحاكاة هذه مشغلي الشبكة من اختبار السيناريوهات وتحسين معلمات الشبكة وتعزيز الموثوقية الشاملة.

تحسين شبكة الطاقة

يمكن أن تعمل الخوارزميات الكمومية على حل مشكلات اندماجية واسعة النطاق تتعلق بتحسين طوبولوجيا الشبكة، ووضع المكثفات لأغراض التثبيت واكتشاف الأخطاء مع توفير هائل في التكاليف.

تحسين سوق الطاقة

يمكن للحوسبة الكمومية أن تجعل خوارزميات تصفية السوق أكثر قوة، مما يضمن كفاءة تداول الطاقة وتسعيرها. يصبح تحسين أسواق الطاقة في الوقت الفعلي ممكنًا باستخدام الخوارزميات الكمومية.

المشاكل التي لم يتم حلها لأجهزة الكمبيوتر الكمومية

على الرغم من أنه تم بالفعل الحصول على بعض المزايا باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية، إلا أنه لا تزال هناك بعض المشكلات التي يتعين معالجتها قبل الوصول إلى التفوق الكمي على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. لا تزال ذاكرة الوصول العشوائي الكمومية غير قادرة على تشفير المعلومات بشكل فعال في الحالة الكمومية وضمان سرعة التنفيذ الصحيحة للخوارزميات الكمومية. تعتمد العديد من تطبيقات الشبكة الذكية على مجموعة كبيرة من الكيوبتات لتشغيل الخوارزميات الكمومية، وقد يكون التحكم في تلك الكيوبتات مهمة صعبة للغاية، لأنها حساسة للغاية للبيئة المحيطة، مثل درجة الحرارة والضوضاء؛ ولذلك، يجب توفير بنية تحتية خاصة مخصصة. علاوة على ذلك، فإن الحفاظ على عدد كبير من الكيوبتات المتشابكة يمكن أن يكون إنجازًا بالغ الأهمية بسبب حدوث عدم الترابط.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية ليست خالية من الأخطاء مثل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، مما قد يخلق تحديات إضافية في تطبيقات أنظمة الطاقة الحساسة. لذلك، يتعين على المصممين تطوير حاسوب كمي عالمي متسامح مع الأخطاء ومصحح الأخطاء لتنفيذ خوارزميات كم عشوائية بأقل جهد.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهرت مقالة الخوارزميات الكمومية لتحسين كفاءة شبكة الطاقة لأول مرة على Power Electronics News.