Computadores quânticos podem acelerar a transição energética

POR THOMAS MORSTYN

Os operadores da rede eléctrica, como a National Grid do Reino Unido – e o Operador Nacional do Sistema (ONS) no Brasil – dependem de computadores de alto desempenho para planear expansões da rede e programar quando a energia deve ser produzida a partir de diferentes fontes. Estes problemas estão a tornar-se maiores e mais complexos devido à transição para emissões líquidas zero de carbono (“ líquido zero
”, ou “carbono zero”), e agora estão atingindo os limites até mesmo dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

A computação quântica, no entanto, poderia abrir um novo caminho para avanços nessa direção. Meu grupo de pesquisa na Universidade de Oxford está investigando como a computação quântica pode agregar valor à transição para carbono zero. Meu colega Xiangyue Wang e eu publicamos recentemente um artigo na revista

Joule

que identifica oportunidades promissoras para a computação quântica para ajudar a otimizar o planejamento e operação de redes de energia líquido zero
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Nos próximos cinco anos, a National Grid planeia gastar 30 mil milhões de libras na modernização da infraestrutura da rede elétrica como parte da transição do Reino Unido para uma rede descarbonizada. Estão também previstos grandes investimentos em tecnologias hipocarbónicas, incluindo energia eólica, solar, nuclear e baterias. Além disso, milhões de veículos eléctricos (VE) e bombas de calor serão adicionados às redes de distribuição locais para descarbonizar o transporte e o aquecimento.

As decisões de planeamento, incluindo onde construir geradores de energia renovável, quando atualizar as linhas de transmissão elétrica e como implementar carregadores de veículos elétricos, afetarão diretamente o valor das nossas contas de energia, a frequência com que as pessoas sofrem cortes de energia e a rapidez com que o Reino Unido poderá alcançar suas metas de carbono zero. Com milhares de milhões a serem investidos na rede, é fundamental que os planeadores compreendam como gastar esse dinheiro com sabedoria.

Além do planejamento da rede, a operação de uma rede líquido zero
É também um problema de otimização desafiador, uma vez que os fluxos de energia da rede devem corresponder à demanda, permanecendo sempre dentro de limites seguros. Caso contrário, a rede corre o risco de interrupções. Isto está se tornando mais difícil devido à variabilidade e incerteza da geração eólica e solar.

Outro desafio é a electrificação dos transportes e do aquecimento, que concentra a procura quando as pessoas chegam a casa depois do trabalho. Uma solução é ajustar quando os veículos elétricos são carregados e quando as bombas de calor são ativadas. Pequenas mudanças na utilização, acumuladas em milhões de lares, podem ser equivalentes à produção de grandes centrais eléctricas. Contudo, isto 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 supremacia quântica
– resolver um problema que nenhum computador clássico poderia resolver num período de tempo viável – completando um problema de simulação de física em 200 segundos. Esse mesmo problema levaria 10 mil anos para ser resolvido por um supercomputador clássico equivalente usando o melhor algoritmo conhecido na época.

Isso deu início a uma corrida contínua entre pesquisadores que trabalham para ampliar os limites da computação clássica e da computação quântica. Os computadores quânticos estão agora a atingir a escala e a maturidade em que podem oferecer um valor tangível a alguns sectores da economia, incluindo o farmacêutico e o financeiro.

Vantagens dos computadores quânticos

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

Quando medido, um qubit será lido como 0 ou 1, assim como um bit clássico. No entanto, num computador quântico, os qubits podem ser controlados utilizando os princípios da física quântica – as leis que governam o comportamento das partículas subatómicas. Isto permite que os computadores quânticos representem grandes quantidades de informação clássica com apenas alguns qubits e realizem tipos específicos de cálculos que são praticamente impossíveis para os computadores clássicos.

Os pesquisadores descrevem a computação quântica como estando na “era quântica barulhenta de escala intermediária” (NISQ). Espera-se que grandes computadores quânticos de uso geral permaneçam fora de alcance por pelo menos uma década. No entanto, os dispositivos NISQ já se mostram promissores para problemas de otimização de grade combinatória. Estes são problemas com decisões interligadas de sim ou não que criam um conjunto exponencialmente grande de possibilidades, tais como decidir onde construir novas unidades geradoras, que linhas de transmissão modernizar e que centrais eléctricas específicas iniciar ou encerrar.

Simulações de rede

Há também um conjunto mais amplo de oportunidades onde a computação quântica é subexplorada. A computação quântica poderia acelerar a simulação e otimização dos fluxos de energia da rede. Também poderia acelerar a aprendizagem automática – a utilização de algoritmos que melhoram o seu desempenho quando expostos a dados. Isto poderia ajudar os operadores da rede a utilizar dados de medidores inteligentes de alto volume para melhorar a previsão, programação e planejamento. Com pequenos dispositivos NISQ, uma abordagem promissora é acoplá-los a grandes computadores clássicos e usá-los para acelerar partes específicas de algoritmos complexos que são mais adequados à computação quântica.

Apesar da fase inicial da investigação em computação quântica na rede elétrica, já existem iniciativas da indústria em curso para desenvolver algoritmos quânticos que possam permitir a expansão da rede e o agendamento inteligente de carregamento de veículos elétricos.

Considerando o objetivo de descarbonização, a energia necessária para os computadores quânticos é uma preocupação potencial, especialmente a energia para refrigeração, uma vez que os computadores quânticos geralmente requerem temperaturas extremamente baixas (próximas do zero absoluto ou -273,15 °C) para funcionar. confiável.

No entanto, a investigação indica que quando um computador quântico consegue resolver um problema utilizando muito menos operações do que um computador clássico, também pode poupar energia. Por exemplo, a demonstração de supremacia quântica do Google não apenas aumentou enormemente a velocidade da computação, mas também reduziu o uso de energia por um fator de 557.000.

Thomas Morstyn
– Professor Associado em Sistemas de Energia, Departamento de Ciências da Engenharia, Universidade de Oxford, Reino Unido

Este texto foi republicado em A conversa
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