Наскільки енергоефективними є квантові комп'ютери?

Як ми всі знаємо, квантові алгоритми масштабуються швидше, ніж класичні (принаймні, для певних проблемних статей ), тобто квантові комп'ютери потребують набагато меншої кількості логічних операцій для входів вище заданого розміру.

Однак не так часто обговорюється, як квантові комп'ютери порівнюють із звичайними комп'ютерами (звичайний ПК сьогодні) за рівнем споживання енергії на логічну роботу. (Хіба про це не говорилося багато, адже головна увага квантових комп'ютерів полягає в тому, наскільки швидко вони можуть обчислювати дані?)

Чи може хтось пояснити, чому квантові обчислення будуть більш-менш енергоефективними, ніж класичні обчислення, за логічну операцію?

Як завжди, порівняти подібні порівняно рано. Споживання енергії пристрою сильно залежатиме від архітектури, яку він використовує.

Однак, в принципі , немає підстав підозрювати, що квантові комп'ютери споживають більше енергії, ніж класичні пристрої, що виконують ті самі операції. Справді, можна було б очікувати протилежного, основна причина - в тому, що квантові комп'ютери працюють (здебільшого) за допомогою унітарних операцій. Унітарна операція є оборотною операцією, або, іншими словами, операції , в протягом якого ніяка інформація не губиться в навколишнє середовище . Така операція в основному "ідеально" енергоефективна (для одного вона не виробляє тепло).

Отже, в принципі , елементарні операції, виконані в квантовому алгоритмі, який використовує унітарні операції, можуть бути ідеально енергоефективними. Це прямо суперечить тому, що у вас є з класичними пристроями, в яких елементарні операції є незворотними, а тому обов'язково "витрачають" деяку кількість інформації на кожну операцію.

Сказавши це, необхідно врахувати мільйон застережень. Наприклад, квантові комп'ютери в реальному світі повинні мати справу з декохерентністю, щоб операції насправді не були єдиними. Це означає, що протоколи виправлення помилок необхідні для того, щоб врахувати це, а потім слід перевірити, яке додаткове споживання енергії за весь цей процес. Крім того, хоча унітарні операції є енергоефективними, на практиці, коли людина отримує результат вимірювання, вимірювання потрібно проводити, і це нереверсивні операції, які зазвичай руйнують інформацію. Після кожного такого вимірювання знову потрібно буде генерувати носії інформації. Крім того, багато протоколів квантових обчислень покладаються на повторні вимірювання протягомобчислення. Можна було б продовжуватись і продовжувати, оскільки це дуже незвідана територія.

Одна з останніх робіт, яка певною мірою обговорює проблему споживання енергії, - це 1610.02365 , в якій автори представляють метод (класичного машинного навчання) обробки інформації за допомогою фотонних мікросхем. Одне з тверджень авторів полягає в тому, що фотонні чіпи дозволяють виконувати операції надзвичайно енергоефективним способом, використовуючи природну еволюцію когерентного світла. Вони не демонструють жодної форми квантових обчислень , але їх міркування щодо енергоефективності не сильно зміниться при використанні одного і того ж пристрою для квантової обробки інформації.

Відповідь на перше запитання (чому енергоефективність у квантовій та класичній не обговорюється так часто, як швидкість?): Частково тому, що проблема є менш однозначною, а частково тому, що відповідь менш лестлива.

Відповідь на друге питання (чи є квантові комп'ютери більш-менш енергетично ефективними?) З часом зміниться, оскільки це залежить від технологічних розробок різних архітектур.

В даний час квантові обчислення, очевидно, менш енергетично ефективні. Мінімальний класичний комп'ютер може бути розроблений як надзвичайно дешевий, також з точки зору енергії (наприклад, 1,5 Вт (в середньому при простої) до 6,7 Вт (максимум під напругою) для Raspberry Pi ). На відміну від цього, сьогодні створити та керувати мінімальним квантовим комп'ютером - це інженерний подвиг з приголомшливими витратами на енергію, навіть якщо кількість кубітів набагато нижче 100, а максимальна кількість операцій на порядок нижче, ніж досягається за частку по-друге, мінімальний класичний комп'ютер.

Надалі можна або міркувати, або враховувати основи. Давайте уникатимемо спекуляцій та дотримуватимемось основ:

• Не існує абсолютної фундаментальної фізичної причини, щоб квантові комп'ютери були більш-менш енергоефективними, ніж класичні.
• Енергоефективність завжди залежатиме від архітектури, а отже, від наявних технологічних рішень.
• Для оцінки споживання енергії завжди буде важливо розмежовувати спокійне споживання та вартість експлуатації.

Щоб детальніше зупинитися на останньому питанні, теперішні пристрої, як у комерційних, так і в академічних умовах, є об'ємними. Не за розміром ENIAC, а за розміром холодильника, що не перевищує великого розміру. Крім того, для управління ними потрібен допоміжний класичний комп'ютер. Очікується, що розмір на кубіт покращиться, потреби в допоміжному класичному комп’ютері немає.

Але, крім прямої електричної енергії, часто існують інші фізичні вимоги, які витрачають енергію, і які принципово необхідні для підтримки пристрою в бажаному квантовому режимі. Наприклад, популярні сьогодні архітектури включають різні твердотільні пристрої, які потрібно тримати при температурі близько кількох кельвінів і нижче. Ці температури досягаються за допомогою рідкого гелію, який енергетично дуже дорого ліквідує (кріогенні гази та електрика є одними з основних витрат в електронних лабораторіях парамагнітного резонансу, таких як Електронний магнітно-резонансний апарат (ЕМР) в MagLab , або, ближче) на мій досвід, у розділі імпульсного Електронного парамагнітного резонансу в ICMol). Я не маю досвіду з іонно-атомними пастками, які також є популярною архітектурою, тому, хоча вони потребують підтримання високоякісного вакууму, бо я знаю, що це енергоефективніше.