Квантовые решения одной из самых сложных проблем нашего времени: управление десятками тысяч торговых судов, пересекающих океаны, для доставки товаров, которые мы используем каждый день, ищут исследовательские группы ExxonMobil и IBM. При переходе на квантовые вычисления, происходит колоссальное увеличение скорости расчетов.
IBM и ExxonMobil начали с широко используемых математических представлений проблемы, которые учитывают такие факторы, как пройденные маршруты, потенциальные перемещения между портами и порядок, в котором каждое место посещается на определенном маршруте.
В мировом масштабе это фактически огромное уравнение, для классических компьютеров сложно. Около 90% мировой торговли приходится на морские перевозки, при этом более 50 000 судов, каждое из которых перевозят до 200 000 контейнеров, ежедневно перемещаются для перевозки товаров на общую сумму 14 триллионов долларов.
В настоящее время во всем мире функционирует около 2200 морских портов, но портов-гигантов, в которых оборачивается 100 миллионов тонн грузов насчитывается только 17. Лидирующее место по числу морских транспортировок занимает Атлантический океан (1/2 транспортировок). Вдоль всего океанического побережья размещены важнейшие порты Америки и Европы (2/3 всех портов). Сравнительно с воздушными, трубопроводными, ЖД и автомобильными видами перевозок морская транспортировка отличается более низкой себестоимостью.
IBM и ExxonMobil начали с широко используемых математических представлений проблемы, которые учитывают такие факторы, как пройденные маршруты, потенциальные перемещения между портами и порядок, в котором каждое место посещается на определенном маршруте.
Системы мониторинга и управления трафиком установлены в ведущих портах мира. Они собирают и обрабатывают данные с судов и из самих портов от причалов до складов, позволяя эффективно управлять расписанием порта. Капитаны судов на базе информации о свободных причалах получают представление о том, когда они смогут пришвартоваться и, соответственно, корректируют ход судна. Диспетчеры порта, анализируя общую ситуацию, могут правильно координировать суда, выявлять слабые места и малоэффективные процессы в работах по разгрузке.
При решении задач маршрутизации квантовые алгоритмы минимизируют расстояние и время, проходимые торговыми судами по всему миру. Квантовый алгоритм дает приближенные решения для задач комбинаторной оптимизации и независимо от размера входных данных использует эффективную классическую предварительную обработку. Алгоритм зависит от положительного целого числа, и качество приближения улучшается по мере его увеличения.
Чем больше увеличивается количество кораблей и рейсов, тем чевиднее становится проблема. Как сообщили команды IBM и ExxonMobil в блоге, в котором подробно описывается их исследование : «С точки зрения логистики, это не« проблема коммивояжеров»».
IBM и ExxonMobil начали с широко используемых математических представлений проблемы, которые учитывают такие факторы, как пройденные маршруты, потенциальные перемещения между портами и порядок, в котором каждое место посещается на определенном маршруте.
Задачу можно решать и с помощью упрощений и приближений на классических компьютерах, проблема хорошо подходит для квантовых технологий. Квантовые компьютеры могут эффективно использовать особое двойное состояние, которое принимают квантовые биты или кубиты, для одновременного выполнения множества вычислений; Это означает, что даже самые большие проблемы могут быть решены за гораздо меньшее время, чем это возможно на классическом компьютере.
Хотя теория, лежащая в основе потенциала квантовых вычислений, хорошо известна, еще предстоит выяснить, как квантовые устройства можно использовать на практике для решения реальной проблемы, такой как глобальная маршрутизация торговых судов. С математической точки зрения это означает поиск правильных квантовых алгоритмов, которые можно было бы использовать для наиболее эффективного моделирования отраслевых проблем маршрутизации на текущих или ближайших устройствах.
Сформулировав уравнение и решив его, будет создано программное решение, которое в режиме онлайн позволит рассчитать время подхода судов к порту. Благодаря этому капитаны смогут выбирать оптимальную скорость подхода к порту, чтобы не тратить лишнее топливо и время в ожидании на рейде. Портовые администрации, в свою очередь, получат возможность значительно повысить эффективность и точность планирования движения судов в акватории портов и швартовых работ.
Пример решения проблем маршрутизации с ограничениями по времени
Квантовые вариационные алгоритмы уже изучаются для задач оптимизации в финансах и химии. ExxonMobil вопросы морской маршрутизации решает с использованием существующих квантовых вариационных алгоритмов.
IBM и ExxonMobil начали с широко используемых математических представлений проблемы, которые учитывают такие факторы, как пройденные маршруты, потенциальные перемещения между портами и порядок, в котором каждое место посещается на определенном маршруте.
Она начали с методов смешанного целочисленного программирования (MIP) и квадратичной неограниченной двоичной оптимизации (QUBO), которые лежат в основе многих важных проблем принятия решений в маршрутизации и логистике, включая маршрутизацию морских запасов. Математические формулировки должны включать:
- пройденные маршруты,
- перемещение клиент-порт
- порядок, по которому каждый субъект - клиент или порт – оказывается на маршруте транспортного средства.
IBM и ExxonMobil начали с широко используемых математических представлений проблемы, которые учитывают такие факторы, как пройденные маршруты, потенциальные перемещения между портами и порядок, в котором каждое место посещается на определенном маршруте.
Проблемы маршрутизации, которые учитываются математическими формулировками, могут также относиться к транспортным средствам, отличным от судов, например, к тем, которые используются в транспортных и логистических приложениях, включая доставку товаров, услуги совместного использования пассажиров и управление городскими отходами.
