Предварительный анализ показывает, что конструкции квантовых компьютеров, пригодных для промышленного применения, обладают широким спектром энергопотребления, включая некоторые, превышающие показатели самых мощных существующих суперкомпьютеров.
Суперкомпьютер El Capitan потребляет огромное количество энергии, а некоторым квантовым компьютерам может потребоваться ещё больше. LLNL/Гарри Маклеод
Крупные квантовые компьютеры, возможно, смогут решать задачи, невыполнимые даже для лучших традиционных суперкомпьютеров, — но для этого некоторым из них может потребоваться гораздо больше энергии, чем этим суперкомпьютерам.
Существующие квантовые компьютеры относительно малы, 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 значимые задачи, в решении которых, как предполагалось, они должны были преуспеть, например, в разработке лекарств. Исследователи в целом согласны с тем, что действительно полезные квантовые компьютеры должны иметь значительно 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 из международной организации Quantum Energy Initiative (QEI) говорит, что одной из часто упускаемых из виду проблем при создании крупномасштабных суперкомпьютеров с преобразованием Фурье является их потенциальное энергопотребление. На конференции Q2B в Силиконовой долине, Санта-Клара, Калифорния, 9 декабря, он представил предварительные оценки этого показателя. Примечательно, что несколько проектов суперкомпьютеров с преобразованием Фурье превзошли по энергопотреблению крупнейшие в мире суперкомпьютеры.
Самый быстрый в мире суперкомпьютер, El Capitan, расположенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора в Калифорнии, потребляет около 20 мегаватт электроэнергии, что примерно в три раза превышает энергопотребление расположенного неподалеку города Ливермор с населением 88 000 человек. По оценке Эзратти, двум вариантам суперкомпьютеров с коррекцией ошибок (FTQC), масштабированным до 4000 логических кубитов, потребуется еще больше энергии. Самый энергоемкий из них может потребовать до 200 мегаватт.
Основываясь на общедоступных данных, конфиденциальной информации от компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, и теоретических моделях, Эзратти определил широкий спектр возможных энергопотреблений для будущих квантовых вычислительных систем с преобразованием Фурье (FTQC), который варьируется от 100 киловатт до 200 мегаватт. Примечательно, что, по оценке Эзратти, три разрабатываемые в настоящее время модели FTQC в конечном итоге потребят менее 1 мегаватта электроэнергии, что сопоставимо с типичными суперкомпьютерами, используемыми исследовательскими центрами. По его мнению, этот спектр может повлиять на развитие отрасли, например, увеличить рынок квантовых вычислений, если менее энергоемкие модели станут доминирующими.
Значительная разница в прогнозируемом энергопотреблении в первую очередь отражает разнообразие конкурирующих способов, которыми компании, занимающиеся квантовыми компьютерами, создают кубиты и используют их. В некоторых случаях энергопотребление обусловлено необходимостью поддерживать низкую температуру различных частей устройства, например, для некоторых световых кубитов, где источники и детекторы света работают хуже в нагретом состоянии. Эзратти говорит, что это может быть особенно энергозатратно. В других случаях, например, для кубитов, созданных из сверхпроводящих схем, целые чипы должны помещаться в гигантские холодильники, в то время как квантовые компьютеры, основанные на захваченных ионах или ультрахолодных атомах, требуют энергии для лазеров и микроволн, управляющих кубитами.
Оливер Дайал из IBM, компании, производящей сверхпроводящие квантовые компьютеры, говорит, что, по его прогнозам, для работы крупномасштабного суперкомпьютера FTQC компании потребуется чуть менее 2 или 3 мегаватт. Дайал утверждает, что это лишь малая часть того, что, по прогнозам, потребуется для гипермасштабных центров обработки данных в области искусственного интеллекта, и эта цифра может быть еще ниже, если FTQC будет интегрирован с существующим суперкомпьютером. Команда компании QuEra, занимающейся квантовыми вычислениями на основе ультрахолодных атомов, оценивает потребность своего FTQC примерно в 100 киловатт, что находится в нижней части диапазона, предложенного Эзратти.
Компания Xanadu, занимающаяся созданием квантовых компьютеров на основе света, и Google Quantum AI, чьи квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих кубитах, отказались от комментариев. Компания PsiQuantum, которая также создает кубиты из света, не ответила на запрос New Scientist о комментариях.
Эзратти говорит, что существует также множество затрат, связанных с традиционной электроникой, используемой для управления и мониторинга кубитов, особенно когда речь идет о квантовых компьютерах с преобразованием Фурье (FTQC), где кубиты получают дополнительные указания для обнаружения и исправления собственных ошибок. Это еще больше усложняет ситуацию, поскольку означает, что детали алгоритмов коррекции ошибок также влияют на энергопотребление устройств. И, наконец, возникает вопрос о том, как долго квантовый компьютер должен работать для завершения операции, поскольку экономия энергии, достигаемая за счет использования меньшего количества кубитов, может быть нивелирована, если им придется работать дольше.
Квантовые компьютеры находятся на пороге открытия новых явлений в физике элементарных частиц.
Компьютерное моделирование высокоэнергетических частиц расширяет границы наших знаний о взаимодействиях, происходящих внутри ускорителей частиц.
Чтобы разобраться во всех этих факторах — базовой стоимости энергии для создания кубитов, стоимости их охлаждения и управления, а также стоимости и времени работы квантового программного обеспечения — отрасли следует разработать стандарты и критерии для определения и отчетности об энергетическом следе своих машин, говорит Эзратти. Это часть миссии QEI. Он говорит, что аналогичные проекты уже реализуются как в США, так и в Европейском Союзе.
Подобно тому, как вся индустрия квантовых вычислений все еще находится в стадии развития, Эзратти говорит, что его работа находится на ранней стадии и должна привести к усилиям по лучшему пониманию энергопотребления FTQC и использованию этого понимания для его снижения. «Существует множество технических вариантов, которые могли бы способствовать снижению энергетического следа».
Источник: www.newscientist.com
