Насколько энергоэффективны квантовые компьютеры?

Как мы все знаем, квантовые алгоритмы масштабируются быстрее, чем классические (по крайней мере, для определенных задач ), что означает, что квантовые компьютеры потребуют гораздо меньшего числа логических операций для входов выше заданного размера.

Однако не так часто обсуждается, как квантовые компьютеры сравниваются с обычными компьютерами (сегодня обычный ПК) с точки зрения энергопотребления на логическую операцию. (Много ли об этом говорилось, потому что основное внимание квантовых компьютеров уделяется тому, насколько быстро они могут вычислять данные?)

Может ли кто-нибудь объяснить, почему квантовые вычисления на одну логическую операцию будут более или менее энергоэффективными, чем классические вычисления?

Как обычно, еще слишком рано сравнивать. Потребление энергии устройством будет сильно зависеть от архитектуры, которую оно использует, например.

Однако в принципе нет никаких оснований подозревать, что квантовые компьютеры будут потреблять больше энергии, чем классические устройства, выполняющие те же операции. Действительно, можно ожидать обратного, фундаментальная причина в том, что квантовые компьютеры работают (в основном) через унитарные операции. Унитарная операция является обратимой операцией, или, другими словами, операции , в течение которого никакая информация не теряется в окружающую среду . Такая операция в основном «совершенно» энергоэффективна (например, она не будет производить тепло).

Таким образом, в принципе , элементарные операции, выполняемые в квантовом алгоритме, который использует унитарные операции, могут быть идеально энергоэффективными. Это находится в прямом противоречии с тем, что вы имеете с классическими устройствами, в которых элементарные операции необратимы и поэтому обязательно «тратят» некоторое количество информации на каждую операцию.

Сказав это, необходимо принять во внимание миллион предостережений. Например, квантовым компьютерам в реальном мире придется иметь дело с декогеренцией, чтобы операции не были действительно унитарными. Это подразумевает, что протоколы исправления ошибок необходимы для того, чтобы принять это во внимание, и затем следует пойти и отследить, какова дополнительная потребляемая энергия всего этого процесса. Кроме того, хотя унитарные операции являются энергоэффективными, на практике, когда кто-то получает результат измерения, измерения должны выполняться, и это необратимые операции, которые обычно разрушают информацию. После каждого такого измерения нужно будет снова генерировать носители информации. Кроме того, многие протоколы квантовых вычислений полагаются на повторные измерения во времярасчет. Можно продолжать и продолжать, так как это очень неизведанная территория.

Одна из последних работ, в которой в какой-то мере обсуждается проблема энергопотребления, - это 1610.02365 , в которой авторы представляют метод обработки (классического машинного обучения) информации с использованием фотонных чипов. Одно из утверждений авторов заключается в том, что фотонные чипы позволяют выполнять операции чрезвычайно энергоэффективным образом, используя естественную эволюцию когерентного света. Они не демонстрируют квантовых вычислений в какой-либо форме , но их обоснования эффективности использования энергии не сильно изменятся при использовании одного и того же устройства для квантовой обработки информации.

Ответ на первый вопрос (почему энергоэффективность в квантовой и классической сферах не обсуждается так часто, как скорость?) Таков: отчасти потому, что проблема менее однозначна, а отчасти потому, что ответ менее лестно.

Ответ на второй вопрос (являются ли квантовые компьютеры более или менее энергетически эффективными?) Будет меняться со временем, поскольку он зависит от технологических разработок различных архитектур.

В настоящее время квантовые вычисления явно менее энергетически эффективны. Минимальный классический компьютер может быть спроектирован так, чтобы быть чрезвычайно дешевым, в том числе с точки зрения энергопотребления (например, от 1,5 Вт (в среднем в режиме ожидания) до 6,7 Вт (в режиме максимальной нагрузки) для Raspberry Pi ). Напротив, сегодня построить и эксплуатировать минимальный квантовый компьютер - это инженерный подвиг с ошеломляющими затратами энергии, даже если число кубитов значительно ниже 100, а максимальное число операций на порядки ниже того, что достигается за долю секунды. второй минимальный классический компьютер.

В будущем можно либо спекулировать, либо учитывать основы. Давайте избегать спекуляций и придерживаться основ:

• Нет абсолютной фундаментальной физической причины для квантовых компьютеров быть более или менее энергоэффективными, чем классические.
• Энергоэффективность всегда будет зависеть от архитектуры и, следовательно, от доступных технологических решений.
• Для оценки энергопотребления всегда будет важно различать потребление на холостом ходу и стоимость эксплуатации.

Чтобы уточнить последний момент, существующие устройства, как в коммерческих, так и в академических условиях, являются громоздкими. Не размером с ENIAC, а размером больше холодильника. Кроме того, для управления им требуется вспомогательный классический компьютер. Ожидается, что размер на кубит улучшится, но нет необходимости в дополнительном классическом компьютере.

Но помимо прямой электрической энергии, часто существуют дополнительные физические требования, которые стоят энергии и которые принципиально необходимы для поддержания устройства в требуемом квантовом режиме. Например, популярные архитектуры сегодня включают в себя различные твердотельные устройства, которые должны храниться при температуре порядка нескольких градусов Кельвина или ниже. Эти температуры достигаются с помощью жидкого гелия, энергетически очень дорогого для разжижения (криогенные газы и электричество относятся к числу основных затрат в лабораториях электронного парамагнитного резонанса, таких как электронно-магнитный резонансный аппарат (EMR) в MagLab , или, ближе по моему опыту, в секции импульсного электронного парамагнитного резонанса на ICMol). У меня нет опыта работы с ионно-атомными ловушками, которые также являются популярными архитектурами, поэтому, хотя они требуют поддержания высокого качества вакуума, я знаю, что, возможно, они более энергоэффективны.