[논문 리뷰] Quantum Computing Solution of DC Power Flow

Rozhin Eskandarpour, Kumar Ghosh외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 14인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 4 큐비트 양자 프로세서에서 HHL 양자 알고리즘을 사용하여 DC 전력 흐름 문제를 해결하는 개념 증명을 수행한다. 양자 컴퓨팅이 전력 시스템 선형 방정식을 효율적으로 해결할 수 있음을 보여주며, 기존 방법에 비해 지수적 속도 향상 잠재력을 지닌다. 이는 IBM의 오픈소스 양자 하드웨어를 사용하여 3 버스 테스트 시스템으로 검증되었다.

ABSTRACT

In this paper, we model and solve a fundamental power system problem, i.e., DC power flow, using a practical quantum computer. The Harrow-Hassidim-Lloyd (HHL) quantum algorithm is used to solve the DC power flow problem. The HHL algorithm for the solution of a system of linear equations (SLE) offers an exponential speedup over the classical computers. The speedup advantage is more significant when the size and the frequency of solving the power flow problem become more substantial. Verified quantum computing applications to power systems are merely nonexistent at this point. Through this paper, we plan to (1) provide a proof-of-concept that practical power system problems can be solved using quantum technology, (2) build a quantum-grid foundation by solving a fundamental power system problem with applications in many other critical grid problems, and (3) apply HHL to solve an SLE which has broad applications in many power system problems. A small 3-bus system is used for testing and demonstration purposes, considering the limitations of the available quantum computing hardware and software. The proposed method's merits and effectiveness are demonstrated using IBM open-source quantum computer and reported through proof-of-concept experimental demonstration using a 4-qubit quantum information processor.

연구 동기 및 목표

• 실제 전력 시스템 문제, 예를 들어 DC 전력 흐름 문제를 양자 컴퓨팅 기술로 해결할 수 있음을 입증하는 것.
• 광범위하게 적용 가능한 기본 전력 시스템 문제를 해결함으로써 양자-전력망 기반을 마련하는 것.
• 다양한 전력 시스템 응용 분야에 관련된 선형방정식계(SLE)에 HHL 알고리즘을 적용하는 것.
• 현재 하드웨어 한계를 고려하여 전력 시스템에서의 양자 컴퓨팅 실현 가능성을 검증하는 것.
• 전력 시스템 최적화 문제 해결에서의 양자 우월성에 대한 실험적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• HHL 양자 알고리즘을 DC 전력 흐름 문제에서 유도된 선형방정식계(SLE)를 해결하는 데 적용한다.
• DC 전력 흐름 문제를 희박한 선형 시스템으로 모델링하고, 이를 처리하기 위해 양자 회로에 매핑한다.
• 실제 전력 시스템의 제약 조건과 하드웨어 한계를 반영하기 위해 3 버스 전력 시스템을 테스트 케이스로 사용한다.
• 양자 알고리즘을 IBM의 오픈소스 4 큐비트 양자 정보 프로세서에 구현한다.
• 양자 해의 정확성을 검증하기 위해 상태 톰ограф리와 양자 상태 신뢰도를 사용한다.
• 정확성과 성능을 검증하기 위해 양자 해를 고전적 계산 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 양자 하드웨어에서 HHL 알고리즘이 DC 전력 흐름 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 DC 전력 흐름과 같은 기본 전력 시스템 문제 해결에 양자 컴퓨팅을 사용하는 것이 가능한가?
• RQ3 전력 시스템 SLE를 해결할 때 양자 컴퓨팅이 고전적 방법에 비해 어느 정도의 속도 향상 우위를 가질 수 있는가?
• RQ4 양자 해가 고전적 기준 해와 비교해 얼마나 정확한가?
• RQ5 현재의 양자 하드웨어는 실제 전력 시스템 문제를 해결하는 데 있어 어떤 실질적 제약을 가진다?

주요 결과

• HHL 알고리즘이 4 큐비트 양자 프로세서에서 DC 전력 흐름 해를 성공적으로 계산하여 실현 가능성을 입증했다.
• 양자 해가 고전적 기준 해와 높은 정밀도로 일치하여 정확성이 확인되었다.
• 전력 시스템 SLE 해결에서의 양자 우월성에 대한 개념 증명 검증을 달성했다.
• 연구는 시스템 크기와 반복적인 해법 요구가 증가할수록 양자 가속이 더욱 두드러진다는 점을 강조한다.
• 이 결과는 양자 컴퓨팅을 전력 시스템 운영에 통합하는 데 있어 기초 단계를 마련했다.
• 본 연구는 현재 하드웨어 제약 조건이 작은 테스트 시스템을 초월한 확장에 있어 핵심 과제임을 밝혔다.