Làm thế nào hiệu quả năng lượng là máy tính lượng tử?

Như chúng ta đã biết, thuật toán lượng tử mở rộng nhanh hơn thuật toán cổ điển (ít nhất là đối với các nhóm vấn đề nhất định ), có nghĩa là máy tính lượng tử sẽ yêu cầu số lượng hoạt động logic nhỏ hơn nhiều cho các đầu vào trên một kích thước nhất định.

Tuy nhiên, người ta không thường thảo luận về việc máy tính lượng tử so với máy tính thông thường (một PC bình thường ngày nay) về mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi hoạt động hợp lý. (Điều này có được nói đến nhiều không, vì trọng tâm chính của máy tính lượng tử là tốc độ chúng có thể tính toán dữ liệu?)

Ai đó có thể giải thích tại sao điện toán lượng tử sẽ ít nhiều hiệu quả năng lượng hơn so với điện toán cổ điển, trên mỗi hoạt động logic?

Như thường lệ, còn quá sớm để so sánh như thế này. Tiêu thụ năng lượng của một thiết bị sẽ phụ thuộc mạnh mẽ vào kiến ​​trúc mà nó sử dụng.

Tuy nhiên, về nguyên tắc , không có lý do để nghi ngờ rằng máy tính lượng tử sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn các thiết bị cổ điển thực hiện các hoạt động tương tự. Thật vậy, người ta sẽ mong đợi điều ngược lại, lý do cơ bản là máy tính lượng tử hoạt động (chủ yếu) thông qua các hoạt động đơn nhất . Một hoạt động đơn nhất là một hoạt động đảo ngược , hay nói cách khác, một hoạt động trong đó không có thông tin bị mất cho môi trường . Một hoạt động như vậy về cơ bản là "hoàn hảo" năng lượng hiệu quả (đối với một, nó sẽ không tạo ra nhiệt).

Vì vậy, về nguyên tắc , các hoạt động cơ bản được thực hiện trong một thuật toán lượng tử sử dụng các hoạt động đơn nhất có thể là hiệu quả năng lượng lý tưởng. Điều này trái ngược với những gì bạn có với các thiết bị cổ điển, trong đó các hoạt động cơ bản là không thể đảo ngược và do đó nhất thiết phải "lãng phí" một lượng thông tin cho mọi hoạt động.

Đã nói điều này, có một triệu hãy cẩn thận để được tính đến. Ví dụ, máy tính lượng tử trong thế giới thực sẽ phải đối phó với sự trang trí, để các hoạt động không thực sự đơn nhất. Điều này ngụ ý rằng các giao thức sửa lỗi là cần thiết để tính đến điều này, và sau đó người ta nên đi và theo dõi mức tiêu thụ năng lượng bổ sung của toàn bộ quá trình này là gì. Ngoài ra, trong khi các hoạt động đơn nhất là hiệu quả năng lượng, trong thực tế khi người ta đạt được kết quả của phép đo, các phép đo phải được thực hiện và đây là các hoạt động không thể đảo ngược thường phá hủy thông tin. Sau mỗi phép đo như vậy, người ta sẽ cần phải tạo lại các hãng truyền thông tin. Ngoài ra, nhiều giao thức điện toán lượng tử dựa trên các phép đo lặp đi lặp lại trongsự tính toán Người ta có thể đi và về, vì đây là lãnh thổ chưa được khám phá.

Một công trình gần đây thảo luận về một số biện pháp cho vấn đề tiêu thụ năng lượng là 1610.02365 , trong đó các tác giả trình bày một phương pháp xử lý thông tin (học máy cổ điển) bằng chip quang tử. Một tuyên bố của các tác giả là các chip quang tử cho phép thực hiện các hoạt động theo cách cực kỳ tiết kiệm năng lượng, khai thác sự phát triển tự nhiên của ánh sáng kết hợp. Họ không chứng minh bất kỳ tính toán lượng tử hình thức nào , nhưng lý do hiệu quả năng lượng của họ sẽ không thay đổi nhiều khi sử dụng cùng một thiết bị để xử lý thông tin lượng tử .

Câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên (tại sao hiệu quả năng lượng trong lượng tử so với cổ điển không được thảo luận thường xuyên như tốc độ?) Là: một phần vì vấn đề ít mang tính không tập trung và một phần vì câu trả lời ít tâng bốc hơn.

Câu trả lời cho câu hỏi thứ hai (máy tính lượng tử có hiệu quả năng lượng nhiều hay ít?) Sẽ thay đổi theo thời gian, vì nó phụ thuộc vào sự phát triển công nghệ của các kiến ​​trúc khác nhau.

Tại thời điểm hiện tại, điện toán lượng tử rõ ràng là ít hiệu quả năng lượng hơn. Một máy tính cổ điển tối thiểu có thể được thiết kế cực kỳ rẻ, cả về năng lượng (ví dụ 1,5 W (trung bình khi không hoạt động) đến 6,7 W (tối đa dưới áp lực) cho Raspberry Pi ). Ngược lại, ngày nay để chế tạo và vận hành một máy tính lượng tử tối thiểu là một kỳ công kỹ thuật với chi phí năng lượng đáng kinh ngạc, ngay cả khi số lượng qubit dưới 100 và số lượng hoạt động tối đa là các đơn đặt hàng có cường độ dưới một phần của một thứ hai bởi một máy tính cổ điển tối thiểu.

Trong tương lai, người ta có thể suy đoán hoặc tính đến các nguyên tắc cơ bản. Chúng ta hãy tránh đầu cơ và bám sát các nguyên tắc cơ bản:

• Không có lý do vật lý cơ bản tuyệt đối nào để máy tính lượng tử tiết kiệm năng lượng hơn hoặc ít hơn so với máy tính cổ điển.
• Hiệu quả năng lượng sẽ luôn phụ thuộc vào kiến ​​trúc, và do đó dựa trên các giải pháp công nghệ có sẵn.
• Để đánh giá mức tiêu thụ năng lượng, sẽ luôn luôn cần phân biệt giữa mức tiêu thụ nhàn rỗi và chi phí vận hành.

Để giải thích về điểm sau, các thiết bị hiện tại, cả trong môi trường thương mại và học thuật, đều cồng kềnh. Không phải cỡ ENIAC, nhưng lớn hơn cỡ tủ lạnh lớn. Hơn nữa, để được kiểm soát, họ cần một máy tính cổ điển phụ trợ. Kích thước trên mỗi qubit dự kiến ​​sẽ tốt hơn, nhu cầu về một máy tính cổ điển phụ trợ thì không.

Nhưng bên cạnh năng lượng điện trực tiếp, thường có những yêu cầu vật lý hơn nữa tiêu tốn năng lượng và về cơ bản là cần thiết để giữ cho thiết bị ở chế độ lượng tử mong muốn. Ví dụ, các kiến ​​trúc phổ biến ngày nay bao gồm các thiết bị trạng thái rắn khác nhau cần được giữ ở nhiệt độ theo thứ tự một vài Kelvin hoặc thấp hơn. Những nhiệt độ này đạt được với sự trợ giúp của Helium lỏng, rất tốn kém về mặt hóa lỏng (khí lạnh và điện là một trong những chi phí chính trong các phòng thí nghiệm cộng hưởng từ điện tử như Cơ sở cộng hưởng từ điện tử (EMR) tại MagLab , hoặc gần hơn theo kinh nghiệm của tôi, trong phần Cộng hưởng từ trường điện tử xung tại ICMol). Tôi không có kinh nghiệm về bẫy ion / nguyên tử, cũng là những kiến ​​trúc phổ biến, vì vậy trong khi chúng đòi hỏi phải có một khoảng chân không chất lượng cao, vì tôi biết có thể những thứ này tiết kiệm năng lượng hơn.