Seberapa hemat daya komputer kuantum?

Seperti yang kita semua tahu, algoritma kuantum berskala lebih cepat daripada yang klasik (setidaknya untuk klausa masalah tertentu ), artinya komputer kuantum akan membutuhkan jumlah operasi logis yang jauh lebih kecil untuk input di atas ukuran yang diberikan.

Namun, tidak begitu umum dibahas bagaimana komputer kuantum dibandingkan dengan komputer biasa (PC normal saat ini) dalam hal konsumsi daya per operasi logis. (Apakah ini belum banyak dibicarakan, karena fokus utama komputer kuantum adalah seberapa cepat mereka dapat menghitung data?)

Dapatkah seseorang menjelaskan mengapa komputasi kuantum akan lebih atau kurang hemat daya daripada komputasi klasik, per operasi logis?

Seperti biasa, terlalu cepat untuk membuat perbandingan seperti ini. Konsumsi daya perangkat akan sangat bergantung pada arsitektur yang digunakannya.

Namun, pada prinsipnya , tidak ada alasan untuk mencurigai bahwa komputer kuantum akan mengkonsumsi lebih banyak energi daripada perangkat klasik yang melakukan operasi yang sama. Memang, orang akan mengharapkan yang sebaliknya, alasan mendasarnya adalah bahwa komputer kuantum bekerja (kebanyakan) melalui operasi kesatuan . Sebuah kesatuan operasi adalah reversibel operasi, atau, dengan kata lain, sebuah operasi di mana tidak ada informasi yang hilang ke lingkungan . Operasi semacam itu pada dasarnya "sempurna" hemat energi (untuk satu, itu tidak akan menghasilkan panas).

Jadi, pada prinsipnya , operasi elementer yang dilakukan dalam algoritma kuantum yang menggunakan operasi kesatuan dapat secara ideal hemat energi. Ini sangat kontras dengan apa yang Anda miliki dengan perangkat klasik, di mana operasi elementer tidak dapat dibalik, dan karenanya harus "membuang" sejumlah informasi untuk setiap operasi.

Setelah mengatakan ini, ada sejuta peringatan yang harus diperhitungkan. Sebagai contoh, komputer kuantum di dunia nyata harus berurusan dengan dekoherensi, sehingga operasi tidak benar-benar satu kesatuan. Ini menyiratkan bahwa protokol koreksi kesalahan diperlukan untuk memperhitungkan hal ini, dan orang harus pergi dan melacak apa konsumsi energi tambahan dari seluruh proses ini. Juga, sementara operasi kesatuan adalah hemat energi, dalam praktiknya ketika seseorang memperoleh hasil pengukuran, pengukuran harus dilakukan, dan ini adalah operasi non-reversibel yang biasanya menghancurkan informasi. Setelah setiap pengukuran seperti itu, orang perlu menghasilkan pembawa informasi lagi. Juga, banyak protokol komputasi kuantum mengandalkan pengukuran berulang selamaperhitungan. Seseorang dapat terus dan terus, karena ini adalah wilayah yang belum dipetakan.

Satu karya baru-baru ini yang membahas dalam beberapa ukuran masalah konsumsi daya adalah 1610.02365 , di mana penulis menyajikan metode untuk (informasi mesin klasik) pemrosesan informasi menggunakan chip fotonik. Salah satu klaim penulis adalah bahwa chip fotonik memungkinkan untuk melakukan operasi dengan cara yang sangat hemat energi, mengeksploitasi evolusi alami cahaya yang koheren. Mereka tidak menunjukkan komputasi kuantum dalam bentuk apa pun , tetapi pertimbangan efisiensi energi mereka tidak akan banyak berubah ketika menggunakan perangkat yang sama untuk pemrosesan informasi kuantum .

Jawaban untuk pertanyaan pertama (mengapa efisiensi energi dalam kuantum vs klasik tidak dibahas sesering kecepatan?) Adalah: sebagian karena masalahnya kurang univocal dan sebagian karena jawabannya kurang menyanjung.

Jawaban untuk pertanyaan kedua (apakah komputer kuantum lebih atau kurang efisien secara energi?) Akan berubah seiring waktu, karena itu tergantung pada perkembangan teknologi dari arsitektur yang berbeda.

Saat ini, komputasi kuantum jelas kurang efisien secara energi. Komputer klasik minimal dapat dirancang untuk menjadi sangat murah, juga dalam hal energi (misalnya 1,5 W (rata-rata saat idle) menjadi 6,7 W (maksimum di bawah tekanan) untuk Raspberry Pi ). Sebaliknya, hari ini untuk membangun dan mengoperasikan komputer kuantum minimal adalah suatu prestasi teknik dengan biaya energi yang mengejutkan, bahkan jika jumlah qubit jauh di bawah 100 dan jumlah operasi maksimum adalah pesanan yang besarnya di bawah apa yang dicapai dalam sepersekian kedua oleh komputer klasik minimal.

Di masa depan, seseorang dapat berspekulasi atau memperhitungkan fundamental. Mari kita hindari spekulasi dan tetap berpegang pada fundamental:

• Tidak ada alasan fisik fundamental yang mutlak untuk komputer kuantum menjadi lebih atau kurang hemat energi daripada yang klasik.
• Efisiensi energi akan selalu bergantung pada arsitektur, dan dengan demikian pada solusi teknologi yang tersedia.
• Untuk mengevaluasi konsumsi energi, akan selalu penting untuk membedakan antara konsumsi idle dan biaya operasi.

Untuk menguraikan titik terakhir, perangkat saat ini, baik dalam pengaturan komersial dan akademik, besar. Tidak berukuran ENIAC, tetapi berukuran lebih besar dari lemari es berukuran besar. Selanjutnya, untuk dikontrol mereka membutuhkan komputer klasik tambahan. Ukuran per qubit diharapkan menjadi lebih baik, kebutuhan untuk komputer klasik tambahan tidak.

Tetapi selain daya listrik langsung, seringkali ada persyaratan fisik lebih lanjut yang menghabiskan energi, dan yang pada dasarnya diperlukan untuk menjaga perangkat dalam rezim kuantum yang diinginkan. Misalnya, arsitektur populer saat ini mencakup perangkat solid-state yang berbeda yang perlu dijaga pada suhu beberapa Kelvin atau lebih rendah. Temperatur ini dicapai dengan bantuan Helium cair, yang secara energetik sangat mahal untuk dicairkan (gas kriogenik dan listrik adalah di antara biaya utama di laboratorium Paramagnetik Resonansi Elektronik seperti Fasilitas Resonansi Magnetik Elektron (EMR) di MagLab , atau, lebih dekat pengalaman saya, di bagian Pulsed Electron Paramagnetic Resonance di ICMol). Saya tidak punya pengalaman dengan jebakan ion / atom, yang juga merupakan arsitektur populer, jadi walaupun mereka membutuhkan perawatan vakum yang berkualitas tinggi, karena saya tahu mungkin ini lebih hemat energi.