Wie energieeffizient sind Quantencomputer?

Wie wir alle wissen, skalieren Quantenalgorithmen schneller als klassische (zumindest für bestimmte Problemklassen ), was bedeutet, dass Quantencomputer eine viel geringere Anzahl logischer Operationen für Eingaben über einer bestimmten Größe erfordern würden.

Es wird jedoch nicht so häufig diskutiert, wie Quantencomputer im Vergleich zu normalen Computern (ein normaler PC heute) hinsichtlich des Stromverbrauchs pro logischer Operation verglichen werden. (Wurde nicht viel darüber gesprochen, weil der Schwerpunkt von Quantencomputern darauf liegt, wie schnell sie Daten berechnen können?)

Kann jemand erklären, warum Quantencomputer pro logischer Operation mehr oder weniger energieeffizient sind als klassisches Computing?

Wie üblich ist es zu früh, solche Vergleiche anzustellen. Der Stromverbrauch eines Geräts hängt zum einen stark von der verwendeten Architektur ab.

Doch im Prinzip gibt es keinen Grund zu der Annahme , dass Quantencomputer mehr Energie als klassische Geräte verbrauchen würden die gleichen Operationen durchführen. In der Tat würde man das Gegenteil erwarten, wobei der Hauptgrund darin besteht, dass Quantencomputer (meistens) über einheitliche Operationen arbeiten. Eine einheitliche Operation ist eine reversible Operation oder mit anderen Worten eine Operation, bei der keine Informationen an die Umgebung verloren gehen . Ein solcher Vorgang ist grundsätzlich "perfekt" energieeffizient (zum einen würde er keine Wärme erzeugen).

Also im Prinzip führten die elementaren Operationen in einem Quantenalgorithmus, die einheitlichen Operationen verwendet kann idealerweise energieeffizient. Dies steht in direktem Gegensatz zu dem, was Sie bei klassischen Geräten haben, bei denen die elementaren Operationen nicht umkehrbar sind und daher notwendigerweise eine gewisse Menge an Informationen für jede Operation "verschwenden".

Trotzdem sind eine Million Vorbehalte zu berücksichtigen. Zum Beispiel müssen sich Quantencomputer in der realen Welt mit Dekohärenz auseinandersetzen, damit die Operationen nicht wirklich einheitlich sind. Dies impliziert, dass Fehlerkorrekturprotokolle erforderlich sind, um dies zu berücksichtigen, und man sollte dann nachverfolgen, wie hoch der zusätzliche Energieverbrauch dieses gesamten Prozesses ist. Während einheitliche Operationen energieeffizient sind, müssen in der Praxis, wenn man das Ergebnis der Messung erfasst, Messungen durchgeführt werden, und dies sind nicht umkehrbare Operationen, die typischerweise Informationen zerstören. Nach jeder solchen Messung müssen die Informationsträger erneut generiert werden. Viele Quantencomputerprotokolle beruhen auch auf wiederholten Messungen währenddie Berechnung. Man könnte weiter und weiter gehen, da dies sehr viel Neuland ist.

Eine neuere Arbeit, die das Stromverbrauchsproblem in gewissem Maße diskutiert, ist 1610.02365 , in der die Autoren eine Methode zur (klassischen maschinellen) Informationsverarbeitung unter Verwendung von photonischen Chips vorstellen. Eine Behauptung der Autoren ist, dass photonische Chips es ermöglichen, Operationen auf äußerst energieeffiziente Weise durchzuführen und die natürliche Entwicklung von kohärentem Licht auszunutzen. Sie zeigen keine Form der Quantenberechnung , aber ihre Überlegungen zur Energieeffizienz würden sich nicht wesentlich ändern, wenn dasselbe Gerät für die Verarbeitung von Quanteninformationen verwendet wird.

Die Antwort auf die erste Frage (warum wird Energieeffizienz im Quanten- und Klassikbereich nicht so oft diskutiert wie Geschwindigkeit?) Lautet: Zum Teil, weil das Problem weniger eindeutig ist und zum Teil, weil die Antwort weniger schmeichelhaft ist.

Die Antwort auf die zweite Frage (sind Quantencomputer mehr oder weniger energetisch effizient?) Wird sich mit der Zeit ändern, da sie von den technologischen Entwicklungen der verschiedenen Architekturen abhängt.

Gegenwärtig ist Quantencomputing offensichtlich weniger energetisch effizient. Ein minimaler klassischer Computer kann extrem billig ausgelegt werden, auch in Bezug auf Energie (z. B. 1,5 W (Durchschnitt im Leerlauf) bis 6,7 W (Maximum unter Belastung) für einen Raspberry Pi ). Im Gegensatz dazu ist der Bau und Betrieb eines minimalen Quantencomputers heute eine technische Leistung mit erstaunlichen Energiekosten, selbst wenn die Anzahl der Qubits deutlich unter 100 liegt und die maximale Anzahl von Operationen um Größenordnungen unter dem liegt, was in einem Bruchteil von a erreicht wird zweitens von einem minimalen klassischen Computer.

In Zukunft kann man entweder spekulieren oder die Grundlagen berücksichtigen. Vermeiden wir Spekulationen und halten wir uns an die Grundlagen:

• Es gibt keinen absolut fundamentalen physikalischen Grund dafür, dass Quantencomputer mehr oder weniger energieeffizient sind als klassische.
• Die Energieeffizienz hängt immer von der Architektur und damit von den verfügbaren technologischen Lösungen ab.
• Um den Energieverbrauch zu bewerten, ist es immer wichtig, zwischen dem Leerlaufverbrauch und den Betriebskosten zu unterscheiden.

Um auf den letzteren Punkt einzugehen, sind die gegenwärtigen Geräte sowohl im kommerziellen als auch im akademischen Umfeld sperrig. Nicht ENIAC-groß, aber größer als ein großer Kühlschrank. Um gesteuert zu werden, benötigen sie außerdem einen klassischen Zusatzcomputer. Es wird erwartet, dass die Größe pro Qubit besser wird, die Notwendigkeit eines klassischen Zusatzcomputers jedoch nicht.

Neben der direkten elektrischen Energie gibt es jedoch häufig weitere physikalische Anforderungen, die Energie kosten und die grundsätzlich benötigt werden, um das Gerät im gewünschten Quantenbereich zu halten. Beispielsweise umfassen populäre Architekturen heutzutage verschiedene Festkörpervorrichtungen, die bei Temperaturen in der Größenordnung von einigen Kelvin oder weniger gehalten werden müssen. Diese Temperaturen werden mit Hilfe von flüssigem Helium erreicht, dessen Verflüssigung energetisch sehr kostspielig ist (kryogene Gase und Elektrizität gehören zu den Hauptkosten in Laboratorien für elektronische paramagnetische Resonanz wie der Elektronenmagnetresonanzanlage (EMR) im MagLab oder näher meiner Erfahrung nach im Bereich gepulste elektronenparamagnetische Resonanz am ICMol). Ich habe keine Erfahrung mit Ionen- / Atomfallen, die ebenfalls beliebte Architekturen sind. Obwohl sie die Aufrechterhaltung eines hochwertigen Vakuums erfordern, weiß ich, dass diese möglicherweise energieeffizienter sind.