Tecnologie

Quantum Inspired Computing, come ottimizzare la logistica delle flotte

L’esperienza di Enel con il software quantistico: la soluzione QUBO per l’assegnazione automatica delle attività al personale e la sperimentazione con i computer fotonici

Pubblicato il 03 Apr 2023

Michele Grapulin

Project Manager & Product Owner, Enel Grids

Quantum Computing Inspired

Il Quantum Computing è una tecnologia in rapida evoluzione che sta attirando l’attenzione di esperti e aziende in tutto il mondo. Il computer quantistico aprirà la strada ad applicazioni finora impensabili, proprio come accadde per il primo transistor nel 1947.  Le principali date di rilascio dei grossi produttori vengono regolarmente rispettate e le scadenze spesso accorciate. Gli sforzi delle più grandi aziende per raggiungere il primo posto nella corsa a questa tecnologia sono impegnativi e altrettanto lo sono gli investimenti. Quando avverrà dunque questa rivoluzione? Le previsioni degli attori principali del settore sono chiare: entro il 2030 saranno disponibili i primi computer quantistici universali per l’utilizzo commerciale. Usando però approcci di tipo “quantum inspired”, si possono già oggi sviluppare soluzioni software basate sul calcolo quantistico. Soluzioni che poi vengono elaborate su hardware tradizionale, ottenendo da subito risultati sorprendenti.

Le soluzioni software basate su calcolo quantistico

Grazie a questo approccio, Enel è riuscita, in soli due anni, a sviluppare un prodotto basato su software quantistico per migliorare un reale caso d’uso: l’ottimizzazione logistica delle proprie flotte su tutto il territorio italiano. Questo rappresenta un importante passo avanti nell’adozione pratica e commerciale della tecnologia del calcolo quantistico.

Una ricerca svolta dall’Osservatorio di Quantum Computing del Politecnico di Milano ha preso in analisi il punto di vista di 106 tra le più grandi imprese della domanda di tecnologica operanti in Italia, dimostrando come l’adozione di soluzioni basate su tecnologia quantistica sia ancora un tema di nicchia ristretto a pochissimi casi. Escluse quindi poche aziende con spiccata cultura sull’innovazione, capacità di investimento e volontà di ritagliarsi un vantaggio competitivo, il percorso di avvicinamento in Italia è ancora in fase primordiale.

Enel Grids, la divisione del Gruppo Enel che gestisce l’attività di distribuzione elettrica a livello mondiale, fornendo energia elettrica a 76 milioni di utenti finali in 8 Paesi e che promuove l’elettrificazione pulita attraverso reti di distribuzione resilienti, partecipative e sostenibili è una delle aziende che sta guardando con grande interesse alle tecnologie di calcolo quantistico, lavorando per essere pronta a cogliere le opportunità che potrebbero derivarne.

quantum inspired computing

Quantum Inspired Computing per l’assegnazione automatica delle attività al personale Enel

Due principali motivi ci spingono a intraprendere questo percorso. Affrontiamo problemi complessi che necessitano una risoluzione efficace, tenendo conto dei vincoli temporali e di business. La missione della nostra divisione Digital HUB di Enel Grids è quella di sviluppare soluzioni avanzate, individuando le migliori tecnologie disponibili sul mercato. Per questo i nostri responsabili, in particolare Fabio Veronese, hanno investito risorse ed energie per anni nella ricerca di tecnologie che possano sostenere lo sviluppo della digitalizzazione delle reti.

Abbiamo individuato, in collaborazione con il nostro fornitore specializzato in quantum computing, un primo caso d’uso al quale applicare un approccio avanzato di Quantum Inspired Computing: migliorare il processo di assegnazione automatica delle attività al nostro personale operativo, ottimizzando la logistica. Il nostro personale, tutti i giorni, ha infatti l’esigenza di uscire sul campo seguendo rotte ottimizzate, in modo da massimizzare il numero di attività eseguite, rispettando tutti i vincoli di business, quali la priorità delle attività, le skill degli operativi e gli appuntamenti con i clienti. L’attuale sistema di pianificazione dei lavori riceve tutte le attività di manutenzione in ingresso e fornisce ai capi-squadra delle unità Enel un’interfaccia per facilitare l’assegnazione manuale e lo smistamento di attività.

L’assegnazione automatica delle attività al personale, con la quale ogni giorno creiamo in modalità automatizzata i piani di lavoro, è proprio la funzionalità più avanzata presente sul prodotto. Con il nuovo modello operativo di Enel è cresciuta esponenzialmente la complessità dei nostri calcoli, dovendo ottimizzare aree di territorio sempre più vaste. In passato l’assegnazione delle attività avveniva a livello di singola unità. Con il nuovo modello, si vuole portare quest’attività ad un livello superiore: quello di aggregati di diverse unità. Questo comporterà un significativo aumento dei dati e della complessità, ed è il contesto ideale per applicare la modellazione quantistica con QUBO.

Quantum computing inspired

QUBO, la migliore soluzione fra quelle possibili

La Q di QUBO sembra richiamare la Q di ‘Quantum’, in realtà l’acronimo QUBO significa Quadratic Unconstrained Binary Optimization ed è una tecnica usata spesso per la risoluzione di problemi di ottimizzazione combinatoria. Un problema di ottimizzazione combinatoria ha come scopo quello di trovare la migliore soluzione possibile fra tutte quelle disponibili. A livello di teoria della complessità, QUBO è inquadrabile come un problema NP complesso, per semplificare è un problema difficilmente risolvibile con computer tradizionali. Ad esso possono essere ricondotti diversi altri problemi come, ad esempio, il problema del commesso viaggiatore, del massimo taglio, della colorazione dei vertici di un grafo, etc., tutti difficilmente risolvibili con computer classici. La modellazione QUBO sta riscontrando grande attenzione in ambito scientifico grazie alla possibilità di essere elaborata su computer quantistici trovando soluzioni ottimali in tempi ragionevoli.

Grazie all’ approccio Quantum Inspired, abbiamo ottenuto da subito risultati importanti e la possibilità di portare in produzione un prodotto di ottimizzazione basato su software quantistico, ma con elaborazione su calcolatori classici ad alto parallelismo (processori usati per la computer grafica). Questo ha significato avere da subito una soluzione innovativa disponibile, che in futuro potrà essere elaborata su computer quantistico.

In meno di due anni, abbiamo esteso il prodotto in tutte le unità operative di Italia, migliorando sensibilmente la qualità e i tempi di assegnazione dei lavori, ottimizzando gli spostamenti dei nostri operativi e accorciando i loro percorsi, in relazione al tempo lavorato, del 30% rispetto al precedente applicativo. Abbiamo significativamente migliorato anche i tempi di elaborazione dei nostri algoritmi rispetto ai vecchi, aprendo a nuove evoluzioni quali ad esempio la gestione ad evento dei guasti. I risultati sono stupefacenti, basti pensare al numero di colleghi sul campo che ogni giorno in tutta Italia manutiene le reti Enel. Stimando 10mila operativi in campo ogni giorno per un totale di 80mila ore di lavoro più spostamenti (8 ore lavorative ciascuno), è immediato comprendere il risparmio economico introdotto da questi nuovi algoritmi.

Una community dedicata al Quantum Computing

Per farsi trovare pronta quando i computer quantistici saranno disponibili sul mercato, Enel sta anche sviluppando competenze interne all’azienda, grazie a una community dedicata al Quantum Computing, coinvolgendo diversi data scientist e formando un gruppo di esperti in materia. Gli obiettivi principali sono quelli di individuare nuovi casi d’uso ai quali applicare algoritmi quantistici e partire con nuovi studi e tecnologie. Enel ha testato con i propri dati reali le ultime evoluzioni in campo di Annealer e in particolare diverse versioni del calcolatore canadese D-Wave. Sono stati effettuati lanci di ottimizzazione con dati reali con i processori D-Wave 2000Q e D-Wave Advantage sfruttando sia i loro servizi cloud nativi che direttamente i server di proprietà di Enel usando il servizio Amazon AWS Braket. Questi esperimenti hanno evidenziato sia gli attuali limiti delle QPU, ma anche le grosse potenzialità di integrazione del Quantum in architetture classiche di business.

La sperimentazione con i computer fotonici

Nell’ottica di migliorare i propri algoritmi, rendendoli sempre più Quantum-Oriented, sono in corso sperimentazioni anche di altri ambiti innovativi, come ad esempio i computer fotonici, uno dei più promettenti e recenti campi della fisica quantistica. Questi calcolatori sfruttano flussi di luce fatti passare in cavi in fibra ottica all’interno di strumentazioni complesse date da combinazioni di interferometri configurati per rappresentare le informazioni principali di un problema da risolvere. Contando i fasci di luce rilevati in uscita, si trovano in tempi molto veloci le soluzioni ai problemi inizialmente configurati.

In particolare, Enel ha studiato e applicato tecniche avanzate di Gaussian Boson Sampling grazie alle librerie di simulazione di hardware quantistico fotonico messe a disposizione dalla canadese Xanadu.

Conclusioni

In una grande azienda come Enel è possibile creare casi d’uso, sbagliare, sperimentare soluzioni ed esplorare varie strade per individuare quelle percorribili in modo efficiente. L’importante è perseguire concretezza e creare una connessione stabile tra la tecnologia in evoluzione e la sua possibile applicazione.

Ogni novità viene direttamente verificata per valutarne qualità e benefici reali, con la prospettiva di essere pronti a passare agli approcci full quantum il prima possibile, senza rischiare di scegliere una tecnologia o un prodotto solo in base a fini commerciali.

Il tema del Quantum computing diventerà sempre più cruciale per tutte le aziende, circondate da fornitori e prodotti; sarà fondamentale dominare queste tecnologie per rimanere competitivi e al passo con i tempi.

Michele Grapulin

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