A E.ON usa computação quântica para ajudar a lidar com a complexidade

O trabalho da E.ON é manter as luzes acesas. Como uma das maiores empresas de energia da Europa, ela opera uma rede de energia de 1,6 milhão de quilômetros para atender 47 milhões de clientes com eletricidade e gás em 17 países europeus. A E.ON  alimenta residências, hospitais, fábricas, trânsito e outras infraestruturas críticas críticas à vida no século XXI. E esse trabalho está ficando cada vez mais complicado.

Conforme a E.ON apoia a transição da Europa para a energia renovável, as demandas na rede tornam-se cada vez mais complexas. As antigas formas de distribuição de energia eram previsíveis. Tendo uma grande usina elétrica e um fornecimento constante de combustível, não era muito difícil saber quanto custaria gerar um megawatt de eletricidade amanhã ou daqui a um ano. À medida que a demanda mudava durante uma onda de calor ou uma onda de frio, era relativamente simples aumentar e diminuir a produção.

Agora, a energia vem de fontes menores e mais dinâmicas, incluindo solar e eólica. Ao mesmo tempo, os veículos elétricos e os sistemas inteligentes nas residências estão mudando drasticamente os padrões de consumo, e mais setores estão se eletrificando, como os de mobilidade e aquecimento. A E.ON, responsável pelo fornecimento de energia 24 horas por dia, 7 dias por semana durante todo o ano, tem que se preparar com bastante antecedência para levar em conta mudanças dinâmicas complexas na oferta e na demanda. A empresa agora está explorando a computação quântica, uma ferramenta para vencer a complexidade, como uma solução para esse problema.

"Estamos nos tornando uma empresa digital", disse o Dr. Giorgio Cortiana, Diretor de Dados e IA, Inteligência Energética da E.ON. "A tecnologia de dados será essencial para nos ajudar a dominar a complexidade desses sistemas."

Uma grande parte desse esforço se resume a um problema de preços.

“Precisamos adquirir energia antes que os clientes solicitem”, disse o Dr. Piergiacomo Sabino, Especialista em Riscos Quantitativos da E.ON Energy Markets.

Os contratos da E.ON exigem que a empresa forneça energia aos clientes a um preço fixo, mesmo que as taxas de consumo e os custos de entrega subam e desçam. Muitas vezes, haverá algum descompasso entre a quantidade de energia comprada antecipadamente e a demanda real. Assim, diferentes participantes no mercado seguram uns aos outros contra esses riscos, comprando e vendendo derivativos de energia e mantendo as luzes acesas.

No pregão da E.ON, especialistas como o Dr. Sabino trabalham para precificar esses derivativos de forma eficiente. Eles usam simulações de Monte Carlo para essa tarefa, uma maneira de prever resultados para eventos incertos usando a tecnologia de computação atual. Esses métodos levam em conta a volatilidade do clima, padrões de uso e outros fatores. Mas mesmo os maiores supercomputadores do mundo têm dificuldades com esses tipos de problemas.

"Isso exige que sejamos inteligentes e voltados para o futuro, com anos de antecedência", disse o Dr. Cortiana. “As mudanças climáticas e os eventos de cisne negro devem fazer parte do nosso modelo. O objetivo final é fornecer acessibilidade energética a nossos clientes.”

Durante uma recente crise de energia que levou a picos dramáticos de preços em toda a Europa, a E.ON conseguiu proteger os clientes e manter os aumentos de preços sob controle devido a esse planejamento. Se a E.ON não tivesse lidado com essa crise corretamente, os clientes poderiam ter ficado no escuro.

Quanto mais complexo for um problema, especificamente, quanto mais variáveis em interação ele envolver, mais difícil será para um computador que lida com binários 1s e 0s. Riscos climáticos, mudanças na oferta e padrões dinâmicos de consumo são variáveis que interagem. Assim, mesmo as melhores abordagens clássicas nas melhores máquinas de supercomputação esbarram em limites rígidos.

É por isso que a E.ON está explorando a computação quântica com a IBM.

Os computadores quânticos oferecem uma abordagem totalmente nova para resolver problemas complexos. Certos problemas que podem levar milênios para serem resolvidos em supercomputadores clássicos poderiam ter soluções muito mais simples usando algoritmos de computação quântica.

"A razão pela qual decidimos fazer parceria com a IBM Quantum foi que queríamos estar expostos aos especialistas na área", disse o Dr. Cortiana. "Não apenas obtivemos acesso a esse hardware, mas também obtivemos acesso a especialistas e conseguimos capacitar nossa equipe."

Atualmente, os computadores quânticos ainda são um trabalho em andamento. No entanto, esse progresso está se movendo rapidamente. Em 2023, a IBM mostrou que seu hardware e software quânticos juntos poderiam realizar cálculos confiáveis em uma escala além dos métodos clássicos de "força bruta" para executar algoritmos quânticos. Esse avanço significa que entramos na era da “utilidade quântica”, onde os computadores quânticos são as melhores ferramentas para obter respostas exatas de circuitos quânticos.

A próxima etapa é encontrar as "vantagens quânticas", que são instâncias em que os computadores quânticos são melhores do que qualquer método clássico. Para uma organização como a E.ON, encontrar uma vantagem quântica poderia proporcionar novas eficiências e vantagens competitivas e, em última análise, melhores preços de energia para seus clientes.

Trabalhando em conjunto, as equipes da E.ON e da IBM Quantum desenvolveram um caminho para obter vantagem quântica nos preços da energia. O Dr. Sabino, do lado comercial, conduziu os requisitos do projeto. O objetivo não era apenas um projeto experimental, mas um que pudesse eventualmente gerar uma vantagem prática de negócios em um futuro computador quântico com erros corrigidos. A IBM projeta que apresentará um computador quântico com erros corrigidos em 2029.

Trabalhando juntas, a IBM e a E.ON desenvolveram um algoritmo para gerenciar o risco climático que seria capaz de superar os métodos clássicos usando um computador quântico suficientemente avançado.

Cada execução desse algoritmo faz a pergunta: "Se oferecermos energia a um determinado preço, quanto isso nos custará, dado um determinado conjunto de condições climáticas ao longo de um contrato?"

Execute esse algoritmo várias vezes, e você obterá informações que podem ser usadas para tomar decisões de hedging.

Tendo provado que esse algoritmo poderia funcionar em princípio, a equipe, então, se preparou para executar o algoritmo em hardware real do IBM Quantum. A versão original do algoritmo envolvia circuitos (execuções quânticas individuais) que eram longos demais para serem executados nos computadores quânticos disponíveis em 2023.

Assim, a equipe aproveitou um recurso avançado do IBM Qiskit conhecido como circuitos dinâmicos para dividir o problema em partes com as quais até mesmo um computador IBM Quantum de 27 qubits da geração anterior era capaz de lidar.

Usar o Qiskit para este projeto foi uma decisão óbvia, disse o Dr. Corey O'Meara, Cientista Quântico Chefe da E.ON. "O Qiskit é o SDK número um do mundo para programação de software quântico. É fantástico e está melhorando cada vez mais."

Hoje, a IBM disponibiliza computadores quânticos de 127 qubits e acima para seus usuários. Esses computadores quânticos podem  executar circuitos muito mais longos do que eram possíveis em máquinas anteriores. Combinados com o poder do Qiskit, esses computadores de rápida evolução trouxeram a era da utilidade. A vantagem quântica está no horizonte.

"Acho que trabalhar em escala de utilidade é a próxima coisa que precisa acontecer em todo o campo da computação quântica", disse o Dr. O'Meara. “As pessoas têm feito modelos de brinquedo e provas de conceito em pequena escala com alguns qubits. Isso vai mudar."

A meta quântica da E.ON para os próximos três anos, disse o Dr. O'Meara, é o trabalho em escala de utilidade, buscando utilidade para seus negócios.

O campo da computação quântica é complexo, disse o Dr. Cortiana. As organizações que buscam a computação quântica devem fazer parcerias com pessoas com a mesma mentalidade (universidades, pesquisas e fornecedores como a IBM) e tentar encontrar sinergias, pois esses problemas centrais serão comuns em todos os setores.

"Projete-se alguns anos no futuro e visualize as situações em que os recursos computacionais serão esgotados", disse o Dr. Cortiana. “Pergunte onde a computação quântica pode ajudar? Encontre as oportunidades mais simples que possam levar você à utilidade de negócios sem esperar por uma máquina tolerante a falhas."

Agora é o momento de aproveitar as oportunidades mais fáceis e desenvolver um banco de talentos quântico.

“Quando as vantagens quânticas estiverem aqui, todos vão querer aproveitar”, disse o Dr. Cortiana. “É melhor já ter as habilidades. Caso contrário, será difícil alcançar os demais”.

A E.ON é uma das maiores empresas de energia da Europa nas áreas de negócios de redes de distribuição de energia, soluções de infraestrutura de energia e vendas de energia. Com sua rede de distribuição de energia de 1,6 milhão de quilômetros de extensão e cerca de 47 milhões de clientes, a E.ON está desempenhando um papel de liderança na formação de um mundo de energia verde, digital e descentralizado. Depende da E.ON fazer a nova energia funcionar.