بهینه سازی کوانتومی در صنایع گاز


شرکت نرم‌افزاری Classiq و شرکت دولتی Israel Natural Gas Lines Ltd. (INGL) نتایج تحقیقات مشترکی را منتشر کرده‌اند که در آن بهینه‌سازی کوانتومی برای برنامه‌ریزی انتقال گاز طبیعی به کار رفته است. این تحقیق شامل اجرای یک نسخه کاهش‌یافته از مسئله بهینه‌سازی روی کامپیوتر کوانتومی IonQ Forte-1 نیز می‌شود.


سوال این است که چگونه بهینه‌سازی کوانتومی می‌تواند به شناسایی سناریوهای انتقال گاز که تحویل به مشتری را افزایش می‌دهند، ضمن رعایت محدودیت‌های عملیاتی، کمک کند.
· آزمایش‌ها روی یک شبکه نمونه، نتایجی همسو با راه‌حل‌های مرجع کلاسیک داد.
· نسخه‌ای از مسئله بهینه‌سازی از طریق پلتفرم Classiq روی پردازنده کوانتومی IonQ Forte-1 اجرا شد.
· رویکرد این تحقیق مکمل مدل‌سازی هیدرولیک موجود است و نتایج فنی تفصیلی در مقاله arXiv منتشر شده است.


این همکاری بر یک چالش آشنا برای اپراتورهای خط لوله متمرکز بود: انتقال گاز از تأمین‌کنندگان به مشتریان ضمن رعایت محدودیت‌های فشار، جهت جریان و تعادل گاز در سراسر شبکه. با بزرگ‌تر شدن شبکه‌ها و پیچیده‌تر شدن شرایط عملیاتی، تعداد تنظیمات ممکن فشار و جریان می‌تواند به سرعت افزایش یابد.

برای اپراتورهای انتقال گاز، هدف فعلی جایگزینی مدل‌سازی هیدرولیک موجود نیست، بلکه بهبود نحوه تولید و ارزیابی طرح‌های کاندید است. بهینه‌سازی کوانتومی می‌تواند به محدود کردن مجموعه بزرگی از احتمالات به تعداد کمتری از گزینه‌های امیدوارکننده برای اعتبارسنجی مهندسی کمک کند.


Classiq و INGL با استفاده از پلتفرم Classiq، یک گردش کار ترکیبی کوانتومی-کلاسیک ایجاد کردند که تنظیمات فشار ممکن را با در نظر گرفتن الزامات فیزیکی و عملیاتی کلیدی جستجو می‌کرد. این کار از ورودی‌های شبکه آشنا مانند فشار تأمین‌کننده، مشخصات لوله و حداقل فشار مشتری استفاده کرد.

در آزمایش‌های مبتنی بر شبیه‌ساز روی یک شبکه گاز نمونه، گردش کار نقطه عملیاتی معتبر با حداکثر توان عملیاتی را شناسایی کرد که با راه‌حل‌های مرجع کلاسیک مطابقت داشت.

سپس محققان نسخه‌ای از مسئله را روی پردازنده کوانتومی یون به دام افتاده IonQ Forte-1 منتقل کردند. این سیستم نقاط عملیاتی کاندید از نظر فیزیکی معتبری را نزدیک به بهینه کلاسیک تولید کرد. نکته قابل توجه اینکه پیاده‌سازی سخت‌افزاری تنها از لایه‌های QAOA با عمق p = 2 استفاده کرد که بسیار کمتر از 30 لایه مورد استفاده در مطالعه مبتنی بر شبیه‌ساز بود.

ادغام با مدل‌سازی هیدرولیک موجود

این همکاری همچنین بررسی کرد که چگونه سناریوهای کاندید می‌توانند با SIMONE، یک محیط مدل‌سازی هیدرولیک تفصیلی برای شبکه‌های گاز، بازبینی شوند. در این رویکرد، بهینه‌سازی کوانتومی به شناسایی گزینه‌های برنامه‌ریزی امیدوارکننده کمک می‌کند، در حالی که مدل‌سازی هیدرولیک موجود می‌تواند آن‌ها را قبل از هر نتیجه‌گیری عملیاتی اعتبارسنجی کند.


مقاله کامل تحقیق، فرمول‌بندی ریاضی، روش‌شناسی بهینه‌سازی کوانتومی، نتایج شبیه‌ساز و جزئیات اجرای سخت‌افزار IonQ Forte-1 را ارائه می‌دهد. مسئله به عنوان یک مدل بهینه‌سازی دودویی درجه دوم (QUBO) با استفاده از پلتفرم نرم‌افزاری کوانتومی Classiq فرمول‌بندی شده است.

https://export.arxiv.org/pdf/2609.00825

🆔 @QuantumProgramming
🆔 http://instagram.com/Quantum.Programming