[论文解读] 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 12

一句话总结

本文展示了在4量子比特量子处理器上使用HHL量子算法求解直流潮流问题的可行性验证。结果表明，量子计算能够高效求解电力系统中的线性方程，相较于经典方法具有潜在的指数级加速优势，并在IBM开源的量子硬件上通过3母线测试系统进行了验证。

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.

研究动机与目标

• 展示实际电力系统问题（如直流潮流）可使用量子计算技术求解。
• 通过求解具有广泛适用性的基础电力系统问题，建立量子-电网基础。
• 将HHL算法应用于与多个电力系统应用相关的线性方程组（SLE）。
• 在当前硬件限制下，验证量子计算在电力系统中的可行性。
• 为求解电力系统优化问题提供量子优势的实验证据。

提出的方法

• 将Harrow-Hassidim-Lloyd（HHL）量子算法应用于求解直流潮流问题中产生的线性方程组（SLE）。
• 将直流潮流问题建模为稀疏线性系统，并将其映射到量子电路进行处理。
• 采用3母线电力系统作为测试案例，以反映真实电力系统约束和硬件限制。
• 在IBM开源的4量子比特量子信息处理器上实现该量子算法。
• 使用状态层析成像和量子态保真度验证量子解的正确性。
• 将结果与经典计算结果进行比较，以验证准确性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 HHL算法能否在当前量子硬件上有效应用于求解直流潮流问题？
• RQ2 使用量子计算求解直流潮流等基础电力系统问题的可行性如何？
• RQ3 在求解电力系统SLE时，量子计算相较于经典方法在多大程度上具有加速优势？
• RQ4 与经典参考解相比，量子解的准确性如何？
• RQ5 当前量子硬件在求解实际电力系统问题方面存在哪些实际限制？

主要发现

• HHL算法在4量子比特量子处理器上成功计算出直流潮流解，证明了其可行性。
• 量子解与经典参考解具有高保真度，确认了解的正确性。
• 该实现成功验证了在求解电力系统SLE中实现量子优势的可行性。
• 研究表明，随着系统规模增大及求解频率提高，量子加速的优势将更加显著。
• 该结果为将量子计算整合到电力系统运行中奠定了基础步骤。
• 该工作指出了当前硬件限制是实现小型测试系统之外扩展的关键挑战。