Las computadoras cuánticas pueden acelerar la transición a redes eléctricas de energía neta cero

Los operadores de redes eléctricas, como National Grid en el Reino Unido, dependen de computadoras de alto rendimiento para planificar las ampliaciones de la red y programar cuándo se debe producir energía a partir de diferentes fuentes. Estos problemas se están volviendo más grandes y complejos debido a la transición hacia emisiones netas de carbono cero, y ahora están llegando a los límites incluso de las supercomputadoras más grandes del mundo.

La computación cuántica abre una nueva vía para el progreso. Mi grupo de investigación en la Universidad de Oxford investiga cómo la computación cuántica puede aportar valor a la transición hacia la neutralidad de carbono. Mi colega Xiangyue Wang y yo publicamos recientemente un artículo en la revista Joule que identifica oportunidades prometedoras para que la computación cuántica ayude a optimizar la planificación y el funcionamiento de las redes eléctricas de energía neta cero.

En los próximos cinco años, National Grid planea invertir 30.000 millones de libras en la actualización de la infraestructura de la red eléctrica como parte de la transición del Reino Unido hacia una red descarbonizada. También se prevén grandes inversiones en tecnologías con bajas emisiones de carbono, como la eólica, la solar, la nuclear y las baterías. Además, se añadirán millones de vehículos eléctricos (VE) y bombas de calor a las redes de distribución locales para descarbonizar el transporte y la calefacción.

Las decisiones de planificación, como dónde construir energías renovables, cuándo modernizar las líneas de transmisión eléctrica y cómo instalar cargadores para vehículos eléctricos, afectarán directamente el importe de nuestras facturas de energía, la frecuencia con la que la gente sufre cortes de electricidad y la rapidez con la que el Reino Unido puede alcanzar sus objetivos de cero emisiones netas. Con miles de millones de dólares invertidos en la red, es fundamental que los planificadores de la red entiendan cómo gastar este dinero de forma inteligente.

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Además de la planificación de la red, la operación de una red con cero emisiones netas también es un problema de optimización complejo, ya que los flujos de energía de la red deben coincidir con la demanda y permanecer dentro de límites seguros en todo momento. De lo contrario, la red corre el riesgo de sufrir cortes de energía. Esto se está volviendo más difícil debido a la variabilidad e incertidumbre de la generación eólica y solar.

Otro desafío es la electrificación del transporte y la calefacción, que concentra la demanda cuando la gente llega a casa del trabajo. Una solución es ajustar el momento en que se cargan los vehículos eléctricos y se ponen en funcionamiento las bombas de calor. Pequeños cambios en el uso, sumados en millones de hogares, pueden ser equivalentes a la producción de grandes centrales eléctricas. Sin embargo, esto aumenta significativamente la cantidad de dispositivos en la red que necesitan ser programados, lo que hace que la programación sea mucho más difícil.

La carrera por la innovación

En 2019, Google demostró su supremacía cuántica al resolver un problema que ningún ordenador clásico podría resolver en un tiempo razonable, al resolver un problema de simulación de física en 200 segundos. Ese mismo problema habría llevado 10.000 años a un superordenador clásico equivalente utilizando el mejor algoritmo conocido en ese momento. Esto dio inicio a una carrera continua entre investigadores que trabajan para ampliar los límites tanto de la computación clásica como de la cuántica. Los ordenadores cuánticos están alcanzando ahora la escala y la madurez necesarias para ofrecer un valor tangible a industrias como la farmacéutica y la financiera.

Los ordenadores clásicos almacenan la información en cadenas de bits, donde cada bit tiene un valor de 0 o 1. Para realizar los cálculos se utilizan operaciones lógicas con bits. En un ordenador cuántico, la unidad básica de información es el bit cuántico o “qubit”. Los qubits se pueden construir de diversas formas, por ejemplo, utilizando circuitos superconductores o átomos atrapados por láser.

Cuando se mide, un cúbit se lee como un 0 o un 1, al igual que un bit clásico. Sin embargo, dentro de una computadora cuántica, los cúbits se pueden controlar utilizando los principios de la física cuántica (las leyes que rigen el comportamiento de las partículas subatómicas). Esto permite que las computadoras cuánticas representen grandes cantidades de información clásica con solo unos pocos cúbits y realicen tipos específicos de cálculos que son prácticamente imposibles para las computadoras clásicas.

Los investigadores describen la computación cuántica como una era de la ruidosa escala intermedia cuántica (NISQ, por sus siglas en inglés). Se espera que las computadoras cuánticas de gran tamaño y propósito general permanezcan fuera del alcance durante al menos una década. Sin embargo, los dispositivos NISQ ya muestran potencial para problemas de optimización combinatoria de la red. Se trata de problemas con decisiones interconectadas de sí o no que crean un conjunto exponencialmente grande de posibilidades, como decidir dónde construir nuevos generadores, qué líneas de transmisión modernizar y qué plantas de energía específicas poner en marcha o apagar.

También hay un conjunto más amplio de oportunidades en las que la computación cuántica no ha sido explorada lo suficiente. La computación cuántica podría acelerar la simulación y optimización de los flujos de energía de la red eléctrica. También podría acelerar el aprendizaje automático (el uso de algoritmos que mejoran su rendimiento cuando se exponen a los datos). Esto podría ayudar a los operadores de la red a utilizar grandes volúmenes de datos de medidores inteligentes para mejorar la previsión, la programación y la planificación. Con los pequeños dispositivos NISQ, un enfoque prometedor es combinarlos con grandes computadoras clásicas y utilizarlos para acelerar partes específicas de algoritmos complejos que son más adecuados para la computación cuántica.

A pesar de que la investigación sobre computación cuántica en redes eléctricas se encuentra en una etapa inicial, ya hay iniciativas en marcha en la industria para desarrollar algoritmos cuánticos que podrían permitir la expansión de la red y la programación inteligente de la carga de vehículos eléctricos.

Teniendo en cuenta el objetivo de descarbonización, la energía necesaria para los ordenadores cuánticos es un posible motivo de preocupación, en particular la energía para refrigeración, ya que los ordenadores cuánticos suelen requerir temperaturas extremadamente bajas (cerca del cero absoluto o -273,15 °C) para un funcionamiento fiable. Sin embargo, las investigaciones indican que cuando un ordenador cuántico puede resolver un problema utilizando muchas menos operaciones que un ordenador clásico, esto también puede ahorrar energía. Por ejemplo, la demostración de supremacía cuántica de Google no solo aumentó enormemente la velocidad de cálculo, sino que también redujo el uso de energía en un factor de 557.000.

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