[論文レビュー] Quantum Computing Solution of DC Power Flow

Rozhin Eskandarpour, Kumar Ghosh+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、4キュービットの量子プロセッサ上でHHL量子アルゴリズムを用いて直流潮流問題を解く概念実証を示している。量子コンピューティングが電力系統の線形方程式を効率的に解くことができ、古典的手法に比べて指数的高速化の可能性を示しており、IBMのオープンソース量子ハードウェアを用いた3母線テストシステムを用いて検証されている。

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.

研究の動機と目的

• 実用的な電力系統問題、例えば直流潮流問題が、量子コンピューティング技術を用いて解けることを示すこと。
• 広範に応用可能な基本的な電力系統問題を解くことで、量子-電力網の基盤を構築すること。
• 複数の電力系統応用に関連する線形方程式系（SLE）に対してHHLアルゴリズムを適用すること。
• 現在のハードウェア制限を考慮して、電力系統における量子コンピューティングの実現可能性を検証すること。
• 電力系統最適化問題を解く際の量子優位性の実験的証明を提供すること。

提案手法

• 直流潮流問題に由来する線形方程式系（SLE）を解くために、ハロウ＝ハシディム＝ロイド（HHL）量子アルゴリズムが適用された。
• 直流潮流問題はスパースな線形系としてモデル化され、処理用に量子回路にマッピングされた。
• 現実の電力系統の制約とハードウェア制限を反映させるために、3母線電力系統がテストケースとして使用された。
• 量子アルゴリズムは、IBMのオープンソース4キュービット量子情報プロセッサ上で実装された。
• 量子状態のトモグラフィーと量子状態の忠実度を用いて、量子解の正しさを検証した。
• 解は古典的計算結果と比較され、正確性と性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の量子ハードウェア上で、HHLアルゴリズムが直流潮流問題を効果的に解くことができるか？
• RQ2 量子コンピューティングが直流潮流のような基本的な電力系統問題に適用可能であるか？
• RQ3 電力系統SLEを解く際、量子コンピューティングが古典的手法に比べてどの程度の高速化優位性を提供するか？
• RQ4 量子解は古典的基準解と比較してどの程度の正確性を示すか？
• RQ5 現在の量子ハードウェアが、実際の電力系統問題を解く際に直面する実用的制限は何か？

主な発見

• HHLアルゴリズムは4キュービット量子プロセッサ上で直流潮流解を正常に計算し、実現可能性を示した。
• 量子解は古典的基準解と高い忠実度で一致し、正しさが確認された。
• 量子計算による高速化の概念実証が、電力系統SLEの解法において達成された。
• 本研究では、システム規模や解法頻度が増加するほど、量子高速化の効果が顕著になることが示された。
• 量子コンピューティングを電力系統運用に統合するための基盤的ステップを確立した。
• 本研究では、現在のハードウェア制限が、小規模なテストシステムを超えてスケーリングする際の主な課題であると同定した。