Pesquisadores usam dispositivo D-Wave para orientar o planejamento de missões interplanetárias
Computação Quântica

Pesquisadores usam dispositivo D-Wave para orientar o planejamento de missões interplanetárias


Dentro brevemente

  • O estudo mostrou como o recozimento quântico, combinado com métodos clássicos, poderia melhorar as trajetórias das naves espaciais, concentrando-se em viagens lentas da Terra a Marte.
  • Os solucionadores híbridos provaram ser mais precisos e robustos do que os solucionadores totalmente quânticos, embora o hardware quântico atual limite a robustez e a precisão da solução.
  • Desenvolvimentos futuros em hardware quântico, técnicas de incorporação e métodos de otimização poderiam expandir o papel do recozimento quântico no planejamento de máquinas espaciais.

A pesquisa em Astrodinâmica revelou como o recozimento quântico, uma técnica da computação quântica, pode abordar a otimização da trajetória de naves espaciais. Os pesquisadores aplicaram seu método a transmissões baixas da Terra para Marte, demonstrando o potencial dos solucionadores híbridos quânticos clássicos para melhorar o planejamento de missões espaciais.

Embora os resultados sejam promissores, ainda há trabalho a ser feito – e uma necessidade de melhorias de hardware – antes que os métodos quânticos e híbridos quânticos clássicos possam substituir os métodos tradicionais na resolução desses complicados problemas de otimização, de acordo com o artigo.

Solucionadores Híbridos

A pesquisa, liderada por cientistas da Universidade Sapienza de Roma, reformulou o problema de desenvolvimento de trajetória em um formato adequado para aditivos quânticos. Usando os sistemas quânticos da D-Wave, eles descobriram que solucionadores híbridos – aqueles que combinam recursos de computação quântica e clássica – podem produzir soluções de trajetória comparáveis ​​aos métodos tradicionais. Esses solucionadores convergem de forma confiável mesmo quando partem de estimativas iniciais baixas, fornecendo um nível de robustez que pode ser importante em aplicações do mundo real.

Os solucionadores totalmente quânticos, que dependem exclusivamente do recozimento quântico, mostraram um processamento mais rápido por si só do que os métodos híbridos. No entanto, eles precisaram de mais iterações para chegar mais perto de uma solução, enfrentaram a complexidade dos problemas e não conseguiram convergir para o mesmo nível de precisão, segundo o artigo. Apesar desses desafios, a velocidade por cálculo do recozimento quântico aumenta o potencial de escalonamento à medida que o hardware melhora.

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Métodos aprimorados são essenciais para reduzir custos de equipamentos, reduzir o consumo de combustível e realizar tarefas complexas de inspeção. A equipe sugere que a pesquisa valide o recozimento quântico como uma ferramenta futura para essas tarefas, mas enfatiza a necessidade de avanços tecnológicos em hardware quântico e métodos de incorporação.

Trajetória da nave espacial

O desenvolvimento da trajetória de naves espaciais é uma tarefa importante na engenharia aeroespacial, que envolve o cálculo de uma trajetória eficiente e ao mesmo tempo minimiza recursos como combustível. Os métodos tradicionais geralmente envolvem métodos baseados em computação ou otimização numérica, os quais podem ser computacionalmente caros à medida que os problemas aumentam. A natureza desses problemas é equivalente à natureza da computação quântica quântica e híbrida.

Neste estudo, os pesquisadores usaram um processo de codificação para converter o problema de trajetória no formato quadrático de otimização binária irrestrita (QUBO) exigido pelos recozidores quânticos. Isso envolveu classificar a trajetória de forma pseudoespectral, muito parecida com a trajetória de uma espaçonave como uma série de restrições algébricas. Essencialmente, isso significa que os pesquisadores dividiram o caminho da espaçonave em pontos gerenciáveis ​​e usaram a matemática para conectá-los, tornando o problema mais fácil de ser resolvido pelos computadores.

O caso de teste concentra-se em um cenário simplificado para uma viagem da Terra a Marte – ou uma transferência da Terra para Marte. As considerações incluíram ciclos circulares e tempo de voo finito, o que reduziu o tamanho do problema para atender às limitações dos detectores quânticos atuais. O solucionador híbrido incorporou o pré-processamento clássico para simplificar o problema antes de aplicar o recozimento quântico, enquanto o solucionador quântico dependia diretamente do processo de extração.

Poucas repetições

De acordo com a equipe, o solucionador híbrido superou o solucionador quântico tanto em precisão quanto em robustez. Requer menos iterações – normalmente seis em comparação com as 55 iterações necessárias para um método totalmente quântico. Os tempos de otimização para o solucionador híbrido foram em média de três segundos por iteração, com pouca variação, enquanto as iterações totalmente quânticas foram tão rápidas quanto 54 milissegundos cada. No entanto, a necessidade do solucionador quântico de mais multiplicidade anulou sua enorme vantagem de velocidade.

As soluções híbridas também alcançaram erros de baixa precisão em parâmetros-chave, como atitude e velocidade, garantindo que a trajetória da espaçonave atendesse de perto aos objetivos da missão. Em comparação, o solucionador quântico sozinho produziu resultados menos precisos, destacando as limitações do hardware quântico atual no tratamento de problemas complexos e de alto nível.

As métricas de custos, como o consumo de combustível, enfatizam ainda mais a superioridade das soluções híbridas. Uma abordagem híbrida sempre reduz o consumo de combustível, um fator muito importante para melhorar as operações interplanetárias.

Limitações

A escalabilidade dos atuais recozidores quânticos continua sendo um obstáculo significativo, sugere o artigo. O sistema D-Wave Advantage, usado no estudo, pode lidar com cerca de 5.000 qubits, mas a incorporação de problemas complexos em um projeto de recozimento geralmente requer recursos adicionais. Técnicas de incorporação, que criam mais conexões entre qubits para representar o problema, aumentam a suscetibilidade a ruídos e erros, especialmente se as cadeias de qubits conectados se tornarem mais longas.

Além disso, a natureza heterogênea da representação QUBO limita a precisão da solução. Problemas que exigem alta precisão ou envolvem variáveis ​​mistas (binárias e contínuas) são particularmente desafiadores para recozimento quântico.

Direções Futuras – Na Lua?

Apesar das limitações, a pesquisa marca um importante passo na aplicação da computação quântica aos desafios da engenharia aeroespacial. Os solucionadores híbridos já mostram potencial prático, fornecendo soluções robustas e eficientes que se opõem aos métodos tradicionais em alguns casos. No entanto, as limitações acima mencionadas dos solucionadores quânticos destacam plenamente a necessidade de mais trabalho – o que, sugere o estudo, incentiva vários caminhos interessantes de pesquisas futuras que os cientistas podem explorar no que poderia ser uma tarefa muito importante – orientar a jornada das naves espaciais. .

Primeiro, o hardware quântico deve evoluir para lidar com problemas maiores e mais complexos, com as melhorias necessárias na conectividade e coerência dos qubits. O desenvolvimento de algoritmos de incorporação mais eficientes também pode permitir que problemas mais complexos sejam representados sem sobrecarregar os recursos disponíveis.

Os pesquisadores também podem explorar outros métodos de otimização que incluem variáveis ​​contínuas e transições binárias contínuas. Estender a estrutura para casos mais complexos, como trajetórias multiplanetárias ou perfis dinâmicos, pode demonstrar ainda mais o uso do recozimento quântico.

O próprio processo de escrita pode ser refinado para atingir maior minimalidade na estrutura QUBO, melhorando a eficiência computacional. Além disso, o uso de outros algoritmos quânticos, como modelos quadráticos restritos, pode reduzir a necessidade de algumas simplificações.

Em última análise, à medida que os trabalhos futuros sobre o algoritmo melhoram e à medida que o hardware de computação quântica amadurece, a sua utilização na exploração espacial pode expandir-se, permitindo um planeamento de máquinas mais rápido e económico.

Aqui está a lista completa da equipe: O estudo foi liderado por Federico De Grossi, Andrea Carbone e Christian Circi da Universidade Sapienza de Roma. Dario Spiller representou a Escola de Engenharia Aeronáutica de Roma. Além disso, Daniele Ottaviani e Riccardo Mengoni contribuíram do CINECA, um importante centro de supercomputação localizado em Casalecchio di Reno, Bolonha, Itália.

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