Kuantum bilgisayarlar ne kadar güç verimlidir?

Hepimizin bildiği gibi, kuantum algoritmaları klasik olanlardan daha hızlı ölçeklenir (en azından belirli problem sınıfları için ), yani kuantum bilgisayarlar belirli bir boyutun üzerindeki girişler için çok daha az sayıda mantıksal işlem gerektirir.

Bununla birlikte, kuantum bilgisayarların mantıksal işlem başına güç tüketimi açısından normal bilgisayarlarla (bugün normal bir PC) nasıl karşılaştırıldığı pek yaygın olarak tartışılmamaktadır. (Kuantum bilgisayarların ana odağı veriyi ne kadar hızlı hesaplayabildikleri olduğundan, bu fazla konuşulmadı mı?)

Birisi kuantum hesaplamanın mantıksal işlem başına neden klasik hesaplamadan daha fazla veya daha az güç verimli olacağını açıklayabilir mi?

Her zamanki gibi, böyle karşılaştırmalar yapmak için çok erken. Bir cihazın güç tüketimi büyük ölçüde kullandığı mimariye bağlı olacaktır .

Bununla birlikte, prensip olarak , kuantum bilgisayarların aynı işlemleri yapan klasik cihazlardan daha fazla enerji tüketeceğinden şüphelenmek için hiçbir neden yoktur. Aslında, bunun tam tersi, temel nedeni kuantum bilgisayarların (çoğunlukla) üniter operasyonlarla çalışmasıdır. Bir üniter işlem olup tersine çevrilebilir , diğer bir deyişle, bu süre boyunca bir operasyonda, işlem, ya da herhangi bir bilgi ortama kaybolur . Böyle bir işlem temelde "mükemmel" enerji verimlidir (biri için ısı üretmez).

Yani, ilke olarak , temel işlemler üniter operasyonları kullanan bir kuantum algoritması gerçekleştirilen olabilir ideal olarak enerji verimli olacak. Bu, temel işlemlerin geri alınamaz olduğu ve dolayısıyla her işlem için bir miktar bilgiyi "harcayacağı" klasik cihazlarla olanlarınızla doğrudan zıttır.

Bunu söyledikten sonra, dikkate alınması gereken bir milyon uyarı var. Örneğin, gerçek dünyadaki kuantum bilgisayarları, yapışma ile uğraşmak zorunda kalacaklar, böylece operasyonlar gerçekten üniter değil. Bu, hata düzeltme protokollerinin bunu hesaba katmak için gerekli olduğunu ve daha sonra bu sürecin tümünün ilave enerji tüketiminin ne olduğunu izlemesi gerektiğini gösterir. Ayrıca, üniter işlemler enerji açısından verimli olsa da, uygulamada ölçümün sonucunu elde ettiğinde, ölçümler yapılmalıdır ve bunlar tipik olarak bilgiyi yok eden geri dönüşümsüz işlemlerdir. Bu tür her ölçümden sonra, bilgi taşıyıcılarının tekrar üretilmesi gerekecektir. Ayrıca, birçok kuantum hesaplama protokolü sırasında tekrarlanan ölçümlere dayanır.hesaplama. Bu çok keşfedilmemiş bir bölge olduğu için devam edebilir.

Bazı durumlarda güç tüketimi sorununu tartışan yeni bir çalışma , yazarların fotonik çipleri kullanarak (klasik makine öğrenimi) bilgi işleme için bir yöntem sunduğu 1610.02365'dir . Yazarların bir iddiası, fotonik çiplerin, tutarlı ışığın doğal evriminden faydalanarak operasyonları son derece enerji verimli bir şekilde gerçekleştirmesine izin vermesidir. Herhangi bir form kuantum hesaplaması göstermezler , ancak aynı cihazı kuantum bilgi işleme için kullanırken enerji verimliliği gerekçeleri fazla değişmez .

İlk sorunun cevabı (kuantum vs klasik enerji verimliliği neden hız kadar sık ​​tartışılmıyor?): Kısmen problem daha az tek odaklı ve kısmen de cevap daha az gurur verici olduğu için.

İkinci sorunun cevabı (kuantum bilgisayarlar az çok enerjisel olarak verimli mi?) Zamanla değişecektir, çünkü bu farklı mimarilerin teknolojik gelişmelerine bağlıdır.

Şu anda, kuantum hesaplama açık bir şekilde enerji açısından daha az verimlidir. Minimal klasik bir bilgisayar, enerji açısından da ( Ahududu Pi için 1,5 W (boşta iken ortalama) ila 6,7 ​​W (stres altında maksimum)) son derece ucuz olacak şekilde tasarlanabilir . Buna karşılık, bugün en az bir kuantum bilgisayar inşa etmek ve işletmek, kubit sayısı 100'ün çok altında olsa ve maksimum işlem sayısı, ikinci bir minimal klasik bilgisayar.

Gelecekte, kişi ya temel bilgileri speküle edebilir ya da dikkate alabilir. Spekülasyondan kaçınalım ve temel ilkelere bağlı kalalım:

• Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha fazla veya daha az enerji verimli olması için mutlak bir temel fiziksel neden yoktur.
• Enerji verimliliği her zaman mimariye ve dolayısıyla mevcut teknolojik çözümlere bağlı olacaktır.
• Enerji tüketimini değerlendirmek için, atıl tüketim ile işletme maliyeti arasında ayrım yapmak her zaman önemli olacaktır.

Son noktayı ele almak için, hem ticari hem de akademik ortamlarda mevcut cihazlar hantaldır. ENIAC boyutunda değil, büyük boy buzdolabı boyutundan daha büyük. Ayrıca, kontrol edilebilmesi için yardımcı bir klasik bilgisayara ihtiyaç duyarlar. Qubit başına boyutun daha iyi olması bekleniyor, klasik bir yardımcı bilgisayara ihtiyaç duyulmuyor.

Ancak doğrudan elektrik gücünün yanı sıra, genellikle enerjiye mal olan ve cihazı istenen kuantum rejiminde tutmak için temel olarak ihtiyaç duyulan daha fazla fiziksel gereksinim vardır. Örneğin, günümüzde popüler mimariler, birkaç Kelvin veya daha düşük sıcaklıklarda tutulması gereken farklı katı hal cihazları içerir. Bu sıcaklıklar enerjik (kriyojenik gazlar ve elektrik gibi elektronik Paramagnetik Rezonans laboratuarlarında ana maliyetleri arasındadır liquify çok pahalıya mal olan sıvı Helyum yardımı ile gerçekleştirilir Elektron Manyetik Rezonans MagLab de Tesisi (EMR) daha yakın veya, deneyimlerime göre, ICMol'deki darbeli Elektron Paramanyetik Rezonans bölümünde). Ayrıca popüler mimariler olan iyon / atom tuzakları ile ilgili hiçbir deneyimim yok, bu yüzden yüksek kaliteli bir vakum sağlamaya ihtiyaç duysalar da, bunların daha enerji verimli olabileceğini biliyorum.