Некоторым квантовым компьютерам может потребоваться больше энергии, чем суперкомпьютерам

Большие квантовые компьютеры, возможно, смогут решать проблемы, невозможные даже для лучших традиционных суперкомпьютеров, но для этого некоторым из них может потребоваться гораздо больше энергии, чем этим суперкомпьютерам.

Существующие квантовые компьютеры относительно невелики: большинство из них имеют менее тысячи строительных блоков, называемых кубитами. Они также склонны к ошибкам во время работы из-за хрупкости этих кубитов. Это делает эти компьютеры неспособными решать экономически и промышленно важные проблемы, в которых они должны были преуспеть, например, помощь в открытии лекарств. Исследователи во многом сходятся во мнении, что действительно полезно квантовые компьютеры должны иметь радикально большее количество кубитов и способность исправлять ошибки, что делает их отказоустойчивыми квантовыми компьютерами (FTQC). Но достижение этой цели по-прежнему остается сложной инженерной задачей, отчасти потому, что существует несколько конкурирующих проектов.

Оливье Эзратти в Инициатива квантовой энергии (QEI)международная организация, заявляет, что одной из упущенных из виду проблем при строительстве FTQC коммунального масштаба является их потенциальное потребление энергии. На конференции Q2B в Кремниевой долине в Санта-Кларе, Калифорния, 9 декабря он представил предварительные оценки этого. Поразительно, но некоторые проекты FTQC превзошли по энергопотреблению крупнейшие в мире суперкомпьютеры.

самый быстрый суперкомпьютер в миреЭль-Капитан в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, потребляет около 20 мегаватт электроэнергии, что примерно в три раза превышает энергопотребление близлежащего города Ливермор с населением 88 000 человек. По оценкам Эзратти, для двух проектов FTQC, масштабируемых до 4000 логических или исправляемых ошибок кубитов, потребуется еще больше. Самым энергожадным из них может потребоваться до 200 мегаватт энергии.

Основываясь на своих оценках на общедоступных данных, частной информации от фирм, занимающихся квантовыми компьютерами, и теоретические моделиЭзратти определил широкий спектр возможных энергетических последствий для будущих FTQC, который колеблется от 100 киловатт до 200 мегаватт. Примечательно, что, по оценкам Эзратти, три проекта FTQC, которые сейчас разрабатываются, в конечном итоге потребуют менее 1 мегаватта электроэнергии, что сопоставимо с типичными суперкомпьютерами, используемыми в исследовательских центрах. По его мнению, этот спектр может повлиять на развитие отрасли, например, увеличив рынок квантовых вычислений, если менее энергоемкие конструкции начнут доминировать.

Большая разница в прогнозируемом потреблении энергии в первую очередь отражает разнообразие конкурирующих способов, с помощью которых компании, занимающиеся квантовыми компьютерами, создают кубиты и используют их. В некоторых случаях потребление энергии обусловлено необходимостью сохранять различные части устройства холодными, например, для некоторых световых кубитов, где источники и детекторы света работают хуже в тепле. Эзратти говорит, что это может быть особенно энергозатратным. В других случаях, например, для кубитов, изготовленных из сверхпроводящих схем, необходимо помещать целые чипы. в гигантских холодильникахв то время как квантовые компьютеры, основанные на захваченных ионах или ультрахолодных атомах, требуют энергии для лазеров и микроволн, которые управляют кубитами.

Оливер Дайал в IBM, что делает сверхпроводящие квантовые компьютерыговорит, что, по его мнению, для работы крупномасштабной FTQC компании потребуется чуть менее 2 или 3 мегаватт. По словам Дайала, это лишь малая часть того, что, по прогнозам, потребуется для гипермасштабных центров обработки данных искусственного интеллекта, и может быть даже меньше, если бы FTQC был интегрирован с существующим суперкомпьютером. По оценкам команды компании QuEra, занимающейся квантовыми вычислениями на ультрахолодных атомах, для ее FTQC потребуется около 100 киловатт, что находится в нижней части спектра Эзратти.

Xanadu, которая создает квантовые компьютеры на основе света, и Google Quantum AI, чьи квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящие кубитыотказался от комментариев. PsiQuantum, который также делает кубиты из светане ответил на Новый учёныйпросьба о комментариях.

Эзратти говорит, что существует также много затрат, связанных с традиционной электроникой, которая используется для управления и мониторинга кубитов, особенно когда речь идет о FTQC, где кубиты получают дополнительные указания для обнаружения и исправления собственных ошибок. Это еще больше усложняет ситуацию, поскольку означает, что детали алгоритмов исправления ошибок также влияют на энергопотребление устройств. Кроме того, возникает вопрос о том, как долго квантовый компьютер должен работать, чтобы завершить операцию, поскольку экономия энергии, возникающая за счет использования меньшего количества кубитов, может быть нейтрализована, если им придется работать дольше.

Чтобы распутать все эти факторы — базовую стоимость энергии для создания кубитов, стоимость их охлаждения и управления, а также стоимость и время работы квантового программного обеспечения — отрасль должна разработать стандарты и тесты для определения и отчетности об энергетическом следе своих машин, говорит Эзратти. Это часть миссии QEI. По его словам, аналогичные проекты реализуются как в США, так и в Европейском Союзе.

Точно так же, как вся индустрия квантовых вычислений все еще развивается, Эзратти говорит, что его работа находится на ранних стадиях и должна привести к усилиям по лучшему пониманию энергопотребления FTQC и использованию этого понимания для его снижения. «Есть много, много технических вариантов, которые могут помочь уменьшить энергетический след».