列車を再考することで、量子電力による遅延

列車の遅延は、行き詰まった通勤、経済的損失、休暇の障害にカスケードすることができます。ただし、列車の故障や交通事故などの中断がより迅速な解決策を必要とする場合、列車のスケジューリングは計算上複雑です。

メリーランド大学ボルチモア郡（UMBC）の研究者が率いる研究と、ボルチモア市内のハイブリッドトラムレールネットワーク共有道路と道路を共有するバルチモアのライトレイリンクに焦点を当てた研究 – ハーネスの量子コンピューティングは、物理学、コンピューターサイエンス、数学をブレンドするアプローチを使用して、この課題に対処します。

仕事はです 公開 ジャーナルで 科学レポート。

彼らの新しい論文では、物理学の准教授であるセバスチャン・デフナー。ポスドクの仲間のエメリー・ドゥセット。博士課程の候補者リース・ロバートソン。ポーランド科学アカデミーの理論的および応用情報学研究所にある協力者Krzysztof DominoとBartłomiejGardasは、テストしたかどうかをテストしました 量子デバイス 実際の条件下で列車のスケジュールを管理できます。

チームは、量子コンピューターに固有の「ノイズ」を活用しました – ラジオ統計に類似した効果を引き起こすランダムで望ましくない乱れは、予測不可能な列車の移動時間をモデル化しました。

彼らの結果は、量子コンピューターが輸送スケジューリングの問題を解決できることを示唆していますが、特により大きなネットワークの場合、量子デバイスを実用的にするためには、より高度なハードウェアが必要です。

レールのランダム性

DoucetとRobertsonは、BaltimoreのCamdenヤードライトレール駅で作業について議論しましたが、オリオールズの野球ファンは定期的に電車から降ろし、配達トラックが鳴り響きました。彼らの熱意は都会のdin騒を切り抜け、彼らの声はガタガタとボルチモアのライト・ライリンクの車の鳴き声の上に立ち上がっています。

「その間に多くの共有インフラストラクチャがある2つのステーション間を獲得するのにどれくらい時間がかかりますか。それを正確に予測することはできません」とDoucet氏は言います。このランダム性はスケジューリングを複雑にしますが、チームの多様な専門知識、つまりスペイン 理論物理学、アルゴリズムの設計、および量子ハードウェア – 複製されたクリエイティブソリューション。

ノイジーは悪いことである必要はありません

現在の量子コンピューターは、「NISQ」または「騒々しい中間スケールの量子」に分類され、「nisk」と発音されます。つまり、中程度のパワーでエラーが発生しやすいことを意味します。しかし、研究者は騒音と戦うのではなく、それを使用して、交通の遅れなど、日常のランダム性を模倣しました。

「NISQの「N」は「ノイジー」の略ですが、それはノイズが常に有害でなければならないという意味ではありません」とDoucet氏は説明します。 「私たちは、デバイスがカオスとランダム性をモデル化するためのツールとしての対象となるノイズを使用できるかどうか疑問に思いました。」

チームは、メリーランド州に本社を置いているIONQによって作成された2つの異なる量子コンピューターで、D-Waveによって作られた2つの異なる量子コンピューターでアプローチをテストしました。各企業の量子デバイスは、情報を処理するためにわずかに異なる量の量子ビットまたはQubitsを使用しています。

研究チームは、数千のQubitsを含むD-Waveのシステムで最大12の列車でスケジューリングの問題を解決することができました。

この原則の証明は、量子コンピューターが具体的な問題に取り組むことができることを示していますが、大規模なネットワークの古典的なスーパーコンピューターよりも速く、安価ではありません。実験には約65,000ドルかかります。

「私たちが示したのは、現在利用可能なハードウェアでは、すでに実際的な問題を解決できるということです」と、新しい論文の上級著者であるデフナーは言います。この調査では、より大きなネットワークを処理するために、より大きく、ノイズの少ない量子システムが必要であることを強調しています。

専門知識の融合、可能性の拡大

潜在的な影響は重要です。急速な再スケジュールは、ネットワーク全体の混乱を防ぐことができます。

「列車ネットワークに問題がある場合、少なくともその地域で再スケジュールするまですべてが停止する必要があります。そして、新しいスケジュールを思い付くのに時間がかかるほど、元の問題はより破壊的になります」

ロバートソン、博士号コンピューターサイエンスの候補者は、「次の数世代の量子技術の中で、私たちが対処できる問題は、現在のハードウェアでは扱いにくい、より大きく近づいている問題になるでしょう」と付け加えました。

ロバートソンのコンピューターサイエンスの背景は、チームの物理学の専門知識を補完します。

「他の誰かが物理学の直感を私に助けることができるかもしれません。そして、私たちが彼らのアイデアをテストするために使用できるアルゴリズムを提案するか、量子ソリューションの設計に使用できるいくつかの計算直観を適用することによって、私は彼らを助けることができます。」

「Quantum Information Scienceは本当に学際的です」とDeffner氏は付け加えます。Deffnerは、UMBCコンピューターサイエンスおよび電気工学部にも所属しており、修士レベルの数学トレーニングを行っています。

電車を超えて

この学際的な量子ベースのアプローチは、最終的にロジスティクス、金融ポートフォリオ、または創薬発見を最適化する可能性があります。これは、複雑でランダムな変数を持つフィールドです。この研究には、実際の量子デバイスに関するコーディング、理論モデリング、および実験が含まれていました。これは、Deffnerの典型的な理論に焦点を当てた研究グループの出発です。

ボルチモアシステムに取り組むことは楽しい挑戦でした、とデフナーは言います。なぜなら、Lightrail Linkは、街の外の交通の影響を受けない列車として運営されていることから、街の通りをナビゲートする路面電車に移行し、ボルチモア内の信号で停止するからです。

「その異常な特性のために、それは単なるユニークな問題でした。そしてもちろん、ローカルシステムで作業するのはクールです」とDeffner氏は言います。

多様な専門知識を統合することにより、UMBCのチームは量子ノイズを強さに変え、実際の問題に対する効率的なソリューションへの道を開いています。