Tối ưu hóa giao thông đường bộ là một vấn đề phức tạp và tốn kém đối với môi trường đô thị: khi các thành phố phát triển và mạng lưới giao thông trở nên dày đặc hơn, việc quản lý giao thông ngày càng trở nên phức tạp và các phương pháp truyền thống để tổ chức luồng giao thông đạt đến giới hạn. Điều này dẫn đến thời gian đi lại hàng ngày dài hơn, lượng khí thải carbon tăng lên và thậm chí ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng; Chắc chắn không phải những cư dân thành phố dành hàng giờ trong tình trạng tắc đường sẽ phản bác chúng tôi.
Do đó, để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn này, cần phải chọn cho mỗi phương tiện một tuyến đường cụ thể từ một loạt các khả năng, biết rằng lựa chọn của một phương tiện sẽ ảnh hưởng đến tình trạng giao thông của nhiều người sử dụng cùng một tuyến đường. Kích thước của không gian giải pháp cho loại bài toán biến số nguyên này – biệt danh dành cho loại bài toán toán học tổ hợp này – tăng theo cấp số nhân với số lượng phương tiện, tuyến đường và đoạn đường, khiến cho việc tìm ra giải pháp tối ưu trở nên bất khả thi đối với máy tính cổ điển, ít nhất là trong một khung thời gian chấp nhận được. Đây chính là lúc máy tính lượng tử phát huy tác dụng, mang đến một giải pháp thay thế mạnh mẽ và nhanh hơn nhiều.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các biến thể khác nhau của một thuật toán – được gọi là QAOA hoặc Thuật toán tối ưu hóa xấp xỉ lượng tử viết tắt – để tìm ra các giải pháp gần đúng cho các vấn đề có thể được xây dựng lại dưới dạng tối thiểu hóa hàm chi phí. Trong trường hợp này, thuật toán đang đề cập sẽ liên kết với mỗi đoạn đường một chi phí tăng theo cấp số nhân với số lượng xe sử dụng đoạn đường đó, tạo ra mức phạt nặng đối với các tuyến đường gây tắc nghẽn. Để tránh giải pháp tầm thường khi không có xe nào lái, các ràng buộc – chính xác hơn là hệ thống phạt – được thêm vào để đảm bảo mỗi xe chỉ đi đúng một tuyến đường.
Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng việc điều chỉnh thông minh các thuật toán theo những hạn chế của phần cứng lượng tử hiện tại - vẫn rất dễ bị nhiễu loạn và lỗi không mong muốn xảy ra khi thao tác qubit - có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất. Do đó, các giải pháp gần đúng được đánh giá là “đủ tốt” trong khi vẫn đảm bảo thời gian thực hiện ở mức chấp nhận được. Do đó, loại thuật toán lai này có thể giúp sử dụng máy tính lượng tử ngay lập tức để giải quyết các vấn đề thực tế như quản lý luồng giao thông, mà không cần chờ đợi các hệ thống có khả năng chịu lỗi hoàn toàn xuất hiện.
Nguồn: arXiv (Đại học Melbourne & Ford)
Do đó, để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn này, cần phải chọn cho mỗi phương tiện một tuyến đường cụ thể từ một loạt các khả năng, biết rằng lựa chọn của một phương tiện sẽ ảnh hưởng đến tình trạng giao thông của nhiều người sử dụng cùng một tuyến đường. Kích thước của không gian giải pháp cho loại bài toán biến số nguyên này – biệt danh dành cho loại bài toán toán học tổ hợp này – tăng theo cấp số nhân với số lượng phương tiện, tuyến đường và đoạn đường, khiến cho việc tìm ra giải pháp tối ưu trở nên bất khả thi đối với máy tính cổ điển, ít nhất là trong một khung thời gian chấp nhận được. Đây chính là lúc máy tính lượng tử phát huy tác dụng, mang đến một giải pháp thay thế mạnh mẽ và nhanh hơn nhiều.
Một phương pháp tiếp cận kết hợp để giảm thiểu hậu quả của nhiễu lượng tử
Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Melbourne và các nhà nghiên cứu từ hãng ô tô khổng lồ Ford đã công bố kết quả nghiên cứu của họ về ứng dụng của thuật toán lượng tử cổ điển kết hợp vào vấn đề quản lý giao thông đường bộ này. Loại thuật toán này sử dụng bộ xử lý lượng tử để thực hiện các phép tính cụ thể và máy tính cổ điển để quản lý luồng chung của thuật toán, tối ưu hóa các tham số và xử lý hậu kỳ các kết quả lượng tử.Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các biến thể khác nhau của một thuật toán – được gọi là QAOA hoặc Thuật toán tối ưu hóa xấp xỉ lượng tử viết tắt – để tìm ra các giải pháp gần đúng cho các vấn đề có thể được xây dựng lại dưới dạng tối thiểu hóa hàm chi phí. Trong trường hợp này, thuật toán đang đề cập sẽ liên kết với mỗi đoạn đường một chi phí tăng theo cấp số nhân với số lượng xe sử dụng đoạn đường đó, tạo ra mức phạt nặng đối với các tuyến đường gây tắc nghẽn. Để tránh giải pháp tầm thường khi không có xe nào lái, các ràng buộc – chính xác hơn là hệ thống phạt – được thêm vào để đảm bảo mỗi xe chỉ đi đúng một tuyến đường.
Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng việc điều chỉnh thông minh các thuật toán theo những hạn chế của phần cứng lượng tử hiện tại - vẫn rất dễ bị nhiễu loạn và lỗi không mong muốn xảy ra khi thao tác qubit - có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất. Do đó, các giải pháp gần đúng được đánh giá là “đủ tốt” trong khi vẫn đảm bảo thời gian thực hiện ở mức chấp nhận được. Do đó, loại thuật toán lai này có thể giúp sử dụng máy tính lượng tử ngay lập tức để giải quyết các vấn đề thực tế như quản lý luồng giao thông, mà không cần chờ đợi các hệ thống có khả năng chịu lỗi hoàn toàn xuất hiện.
Nguồn: arXiv (Đại học Melbourne & Ford)
