Переосмысление поездов задержки с квантовой мощностью

Задержки поезда могут каскаться в остановленные поездка на работу, экономические потери и ловушки для отдыха. Планирование поездов является вычислительно сложным, однако: может потребоваться часы или дни, чтобы решить большие транспортные сети на традиционных компьютерах, когда сбои, такие как поломки поезда или дорожные аварию, требуют гораздо более быстрых решений.

Исследование, проведенное исследователями из Университета Мэриленда, округа Балтимор (UMBC), и сосредоточилось на Baltimore Light Raillink, гибридных дорогах сети трамваев с автомобилями в городе Балтимора-квантовыми вычислениями для решения этой проблемы, используя подход, который сочетает физику, компьютерные науки и математику.

Работа есть опубликовано в журнале Научные отчетыПолем

В своей новой статье Себастьян Деффнер, доцент физики; постдокторский парень Эмери Дусет; Докторский кандидат Рис Робертсон; и сотрудники Krzysztof Domino и Bartłomiej Gardas в Институте теоретической и прикладной информатики в Польской академии наук проверили, как квантовые устройства может управлять графиками поездов в реальных условиях.

Команда использовала «шум», присущий квантовым компьютерам – нежелательные нарушения, которые вызывают эффект, аналогичный радиостатическому, – для моделирования непредсказуемого времени поезда.

Их результаты показывают, что квантовые компьютеры могут решать проблемы с планированием транспорта, но необходимо более продвинутое оборудование для выполнения использования квантовых устройств, особенно для более крупных сетей.

Случайность на рельсах

Доусет и Робертсон обсудили работу на станции скоростного железа Camden Yards в Балтиморе, в то время как фанаты бейсбола Иволги выгружаются из поездов через регулярные промежутки времени и грохочут грузовики. Их энтузиазм прорезал городской дин, их голоса поднимаются над грохотом и головкой проезжающих в Балтиморе Легких автомобилей Рейлинк.

«Сколько времени вам понадобится, чтобы получить между двумя станциями, где между ними есть много общей инфраструктуры – вы не можете точно предсказать это точно», – говорит Дусет, указывая на следы и их пересечение с близлежащим стоп -сигналом. Эта случайность усложняет расписание, но разнообразные знания команды – распределение Теоретическая физикадизайн алгоритма, и квантовое оборудование – оптимизированные творческие решения.

Шум не должен быть плохим

Текущие квантовые компьютеры классифицируются как «NISQ», или «шумный промежуточный квант», произносится «Ниск». Это означает, что они склонны к ошибкам с только умеренной мощностью. Вместо того, чтобы бороться с шумом, исследователи использовали его, чтобы имитировать повседневную случайность, как задержки трафика.

«« N »в NISQ означает« шумный », но это не значит, что шум всегда должен быть вредным», – объясняет Дусет. «Мы задавались вопросом, если, возможно, мы смогут использовать шум, который подчиняется устройство в качестве инструмента для моделирования хаоса и случайности».

Команда проверила свой подход на двух разных квантовых компьютерах, один из которых был сделан Ionq, который со штаб-квартирой в Мэриленде, а другой-D-Wave. Квантовые устройства каждой компании используют квантовые биты или кубиты, немного по -разному для обработки информации.

Исследовательская группа смогла решить проблемы планирования с до 12 поездов в системе D-Wave, которая содержит тысячи кубитов, и только два поезда в системе Ionq 25 квад.

Эта работа по подтверждению принципа демонстрирует, что квантовые компьютеры могут решать конкретные проблемы, хотя они еще не быстрее или дешевле, чем классические суперкомпьютеры для больших сетей-эксперименты стоят около 65 000 долларов.

«Мы показали, что с доступным в настоящее время оборудование вы уже можете решить практические проблемы», – говорит Деффнер, старший автор новой статьи. В исследовании подчеркивается необходимость в более крупных, менее шумных квантовых системах для обработки более крупных сетей.

Объединение опыта, расширение возможностей

Потенциальное воздействие является значительным; Быстрое перенос может предотвратить сбои в сети.

«Если у вас есть проблема в сети поезда, все должно остановиться, пока вы не перенесу, по крайней мере, в этом регионе – и чем дольше вам затрачено, чтобы придумать новый график, тем более разрушительной становится первоначальная проблема», – отметил Дусет, когда поезда с шумно вошел в платформу.

Робертсон, доктор философии Кандидат в области компьютерных наук, добавил: «В течение следующих нескольких поколений квантовых технологий проблемы, которые мы могли бы решить, будут становятся все больше, приближаются к проблемам, которые неразрешимы в текущем аппаратном обеспечении».

Фон информатики Робертсона дополняет физический опыт команды.

«Кто -то другой может помочь мне с интуицией физики, и тогда я могу помочь им, предложив алгоритм, который мы могли бы использовать для проверки их идеи, или применения некоторой вычислительной интуиции, которую мы могли бы использовать при разработке нашего квантового решения».

«Квантовая информационная наука действительно междисциплинарна», – добавляет Деффнер, который также связан с отделом компьютерной науки и электротехники UMBC и имеет математическую подготовку математики.

За пределами поездов

Этот междисциплинарный, квантовый подход может в конечном итоге оптимизировать логистику, финансовые портфели или обнаружение лекарств-поля со сложными, случайными переменными. Исследование включало в себя кодирование, теоретическое моделирование и эксперименты на реальных квантовых устройствах-отъезд для исследовательской группы Deffner, ориентированной на теорию.

По словам Деффнера, работа над системой Балтимора была забавным испытанием, потому что Lightrail Link переходит от работы в качестве поезда, не затронутого движением за пределами города на трамвайные навигационные улицы и останавливаясь на светофорах внутри Балтимора.

«Из -за его необычных характеристик это была лишь уникальная проблема. И, конечно, это круто работать над локальной системой», – говорит Деффнер.

Объединяя разнообразные знания, команда UMBC превращает квантовый шум в силу, прокладывая путь к эффективным решениям реальных проблем.