Jak energooszczędne są komputery kwantowe?

Jak wszyscy wiemy, algorytmy kwantowe skalują się szybciej niż klasyczne (przynajmniej dla niektórych klauzul problemowych ), co oznacza, że ​​komputery kwantowe wymagałyby znacznie mniejszej liczby operacji logicznych dla danych wejściowych powyżej określonego rozmiaru.

Jednak nie jest tak często dyskutowane porównanie komputerów kwantowych ze zwykłymi komputerami (obecnie zwykłym komputerem) pod względem zużycia energii na operację logiczną. (Czy nie mówiono o tym wiele, ponieważ głównym celem komputerów kwantowych jest to, jak szybko potrafią obliczać dane?)

Czy ktoś może wyjaśnić, dlaczego obliczenia kwantowe byłyby mniej lub bardziej energooszczędne niż obliczenia klasyczne na operację logiczną?

Jak zwykle jest zbyt wcześnie, aby dokonywać takich porównań. Zużycie energii przez urządzenie będzie zależeć, na przykład, od silnej architektury.

Jednak w zasadzie nie ma powodu podejrzewać, że komputery kwantowe zużywałyby więcej energii niż klasyczne urządzenia wykonujące te same operacje. Rzeczywiście, można się spodziewać czegoś przeciwnego, podstawowym powodem jest to, że komputery kwantowe działają (głównie) poprzez operacje jednostkowe . Operacja jednostkowa jest operacją odwracalną lub, innymi słowy, operacją, podczas której żadna informacja nie jest tracona dla środowiska . Taka operacja jest w zasadzie „idealnie” energooszczędna (po pierwsze nie wytwarzałaby ciepła).

Zatem w zasadzie operacje elementarne wykonywane w algorytmie kwantowym, który wykorzystuje operacje jednostkowe, mogą być idealnie energooszczędne. Jest to w bezpośrednim kontraście z tym, co masz w przypadku klasycznych urządzeń, w których podstawowe operacje są nieodwracalne, a zatem koniecznie „marnują” pewną ilość informacji na każdą operację.

To powiedziawszy, należy wziąć pod uwagę milion zastrzeżeń. Na przykład komputery kwantowe w prawdziwym świecie będą musiały radzić sobie z dekoherencją, tak że operacje nie będą tak naprawdę jednolite. Oznacza to, że protokoły korekcji błędów są konieczne, aby wziąć to pod uwagę, a następnie należy śledzić, jakie jest dodatkowe zużycie energii w całym tym procesie. Ponadto, podczas gdy operacje jednostkowe są energooszczędne, w praktyce, gdy uzyskuje się wynik pomiaru, należy wykonać pomiary, a są to operacje nieodwracalne, które zwykle niszczą informacje. Po każdym takim pomiarze konieczne będzie ponowne wygenerowanie nośników informacji. Ponadto wiele protokołów obliczeń kwantowych opiera się na powtarzanych pomiarach podczasobliczenia. Można to robić bez końca, ponieważ jest to bardzo nieznane terytorium.

Jedną z ostatnich prac, która w pewnym stopniu omawia problem zużycia energii, jest 1610.02365 , w której autorzy przedstawiają metodę przetwarzania informacji (klasyczne uczenie maszynowe) za pomocą układów fotonicznych. Jednym z twierdzeń autorów jest to, że chipy fotoniczne umożliwiają wykonywanie operacji w niezwykle energooszczędny sposób, wykorzystując naturalną ewolucję spójnego światła. Nie wykazują one żadnych form obliczeń kwantowych , ale ich rozumowanie dotyczące efektywności energetycznej nie zmieniłoby się znacznie przy użyciu tego samego urządzenia do przetwarzania informacji kwantowej .

Odpowiedź na pierwsze pytanie (dlaczego wydajność kwantowa w porównaniu z klasyczną nie jest omawiana tak często jak prędkość?) Brzmi: po części dlatego, że problem jest mniej jednoznaczny, a po części dlatego, że odpowiedź jest mniej pochlebna.

Odpowiedź na drugie pytanie (czy komputery kwantowe są mniej lub bardziej wydajne energetycznie?) Zmieni się z czasem, ponieważ zależy to od rozwoju technologicznego różnych architektur.

W chwili obecnej obliczenia kwantowe są oczywiście mniej wydajne energetycznie. Minimalny klasyczny komputer można zaprojektować tak, aby był wyjątkowo tani, również pod względem energii (np. 1,5 W (średnio w stanie bezczynności) do 6,7 W (maksymalne pod obciążeniem) dla Raspberry Pi ). W przeciwieństwie do tego, dzisiaj zbudowanie i obsługa minimalnego komputera kwantowego jest wyczynem inżynieryjnym z oszałamiającym kosztem energii, nawet jeśli liczba kubitów jest znacznie poniżej 100, a maksymalna liczba operacji jest o rząd wielkości niższa niż w przypadku ułamka drugi przez minimalny klasyczny komputer.

W przyszłości można spekulować lub wziąć pod uwagę podstawy. Unikajmy spekulacji i trzymajmy się podstaw:

• Nie ma absolutnie fundamentalnego fizycznego powodu, aby komputery kwantowe były mniej lub bardziej energooszczędne niż komputery klasyczne.
• Efektywność energetyczna zawsze będzie zależeć od architektury, a tym samym od dostępnych rozwiązań technologicznych.
• Aby ocenić zużycie energii, zawsze ważne będzie rozróżnienie między zużyciem na biegu jałowym a kosztem eksploatacji.

Aby rozwinąć ten drugi punkt, obecne urządzenia, zarówno w zastosowaniach komercyjnych, jak i akademickich, są nieporęczne. Nie wielkości ENIAC, ale większą niż duża lodówka. Ponadto do kontroli wymagają one klasycznego komputera pomocniczego. Oczekuje się, że rozmiar na kubit wzrośnie, nie jest potrzebny dodatkowy komputer klasyczny.

Ale oprócz bezpośredniej energii elektrycznej często istnieją dodatkowe wymagania fizyczne, które kosztują energię i które są zasadniczo potrzebne do utrzymania urządzenia w pożądanym reżimie kwantowym. Na przykład popularne obecnie architektury obejmują różne urządzenia półprzewodnikowe, które należy przechowywać w temperaturach rzędu kilku kelwinów lub niższych. Temperatury te są osiągane za pomocą ciekłego helu, który jest bardzo kosztowny energetycznie do upłynnienia (gazy kriogeniczne i elektryczność są jednymi z głównych kosztów w laboratoriach elektronicznych rezonansów paramagnetycznych , takich jak Electron Magnetic Resonance Facility (EMR) w MagLab , lub bliżej z mojego doświadczenia wynika , że w sekcji pulsacyjnego elektronowego rezonansu paramagnetycznego w ICMol). Nie mam doświadczenia z pułapkami jonowymi / atomowymi, które są również popularnymi architekturami, więc chociaż wymagają one utrzymywania wysokiej jakości próżni, albowiem wiem, że mogą być bardziej energooszczędne.