Qual a eficiência energética dos computadores quânticos?

Como todos sabemos, os algoritmos quânticos escalam mais rápido que os clássicos (pelo menos para certos grupos de problemas ), o que significa que os computadores quânticos exigiriam um número muito menor de operações lógicas para entradas acima de um determinado tamanho.

No entanto, não é tão comum discutir como os computadores quânticos se comparam aos computadores comuns (hoje em dia um PC normal) em termos de consumo de energia por operação lógica. (Isso não foi discutido muito, porque o foco principal dos computadores quânticos é a rapidez com que eles podem calcular dados?)

Alguém pode explicar por que a computação quântica seria mais ou menos eficiente em termos de energia do que a computação clássica, por operação lógica?

Como sempre, é muito cedo para fazer comparações como essa. O consumo de energia de um dispositivo dependerá fortemente da arquitetura que ele usa, por exemplo.

No entanto, em princípio , não há razão para suspeitar que computadores quânticos consumiriam mais energia do que dispositivos clássicos que executam as mesmas operações. De fato, seria de esperar o oposto, a razão fundamental é que os computadores quânticos funcionam (principalmente) por meio de operações unitárias . Uma operação unitária é uma operação reversível ou, em outras palavras, uma operação durante a qual nenhuma informação é perdida para o ambiente . Tal operação é basicamente "perfeitamente" eficiente em termos energéticos (por um lado, não produziria calor).

Assim, em princípio , as operações elementares realizadas em um algoritmo quântico que utiliza operações unitárias podem ser idealmente eficientes em termos energéticos. Isso contrasta diretamente com o que você tem com dispositivos clássicos, nos quais as operações elementares não são reversíveis e, portanto, necessariamente "desperdiçam" alguma quantidade de informações para cada operação.

Dito isto, há um milhão de advertências a serem levadas em consideração. Por exemplo, computadores quânticos no mundo real terão que lidar com decoerência, para que as operações não sejam realmente unitárias. Isso implica que os protocolos de correção de erros são necessários para levar isso em conta e, então, deve-se rastrear qual é o consumo de energia adicional de todo esse processo. Além disso, enquanto as operações unitárias são eficientes em termos de energia, na prática, quando se obtém o resultado da medição, as medições devem ser realizadas, e essas são operações não reversíveis que normalmente destroem informações. Após cada uma dessas medições, será necessário gerar os portadores de informações novamente. Além disso, muitos protocolos de computação quântica dependem de medições repetidas durantea computação. Pode-se continuar sem parar, pois esse é um território desconhecido.

Um trabalho recente que discute, em certa medida, o problema do consumo de energia é 1610.02365 , no qual os autores apresentam um método para processamento de informações (aprendizado de máquina clássico) usando chips fotônicos. Uma alegação dos autores é que os chips fotônicos permitem realizar operações de maneira extremamente eficiente em termos de energia, explorando a evolução natural da luz coerente. Eles não demonstram qualquer forma de cálculo quântico , mas seus raciocínios de eficiência energética não mudariam muito ao usar o mesmo dispositivo para o processamento quântico de informações.

A resposta para a primeira pergunta (por que a eficiência energética no quantum versus o clássico não é discutida com tanta frequência quanto a velocidade?) É: em parte porque o problema é menos unívoco e em parte porque a resposta é menos lisonjeira.

A resposta para a segunda questão (os computadores quânticos são mais ou menos eficientes em termos energéticos?) Mudará com o tempo, pois depende dos desenvolvimentos tecnológicos das diferentes arquiteturas.

Atualmente, a computação quântica é obviamente menos eficiente em termos energéticos. Um computador clássico mínimo pode ser projetado para ser extremamente barato, também em termos de energia (por exemplo, 1,5 W (média quando ociosa) a 6,7 ​​W (máxima sob estresse) para um Raspberry Pi ). Por outro lado, hoje em dia construir e operar um computador quântico mínimo é um feito de engenharia com custo de energia impressionante, mesmo que o número de qubits esteja bem abaixo de 100 e o número máximo de operações seja de magnitude abaixo do que é alcançado em uma fração de segundo por um computador clássico mínimo.

No futuro, pode-se especular ou levar em consideração os fundamentos. Vamos evitar especulações e seguir os fundamentos:

• Não existe uma razão física fundamental absoluta para que computadores quânticos sejam mais ou menos eficientes em termos de energia do que os clássicos.
• A eficiência energética sempre dependerá da arquitetura e, portanto, das soluções tecnológicas disponíveis.
• Para avaliar o consumo de energia, sempre será importante distinguir entre o consumo ocioso e o custo da operação.

Para elaborar esse último ponto, os dispositivos atuais, tanto em ambientes comerciais quanto acadêmicos, são volumosos. Não é do tamanho do ENIAC, mas do tamanho de uma geladeira maior. Além disso, para serem controlados, eles precisam de um computador clássico auxiliar. Espera-se que o tamanho por qubit melhore, a necessidade de um computador clássico auxiliar não é.

Mas, além da energia elétrica direta, muitas vezes existem requisitos físicos adicionais que custam energia e que são fundamentalmente necessários para manter o dispositivo no regime quântico desejado. Por exemplo, as arquiteturas populares hoje incluem diferentes dispositivos de estado sólido que precisam ser mantidos em temperaturas da ordem de alguns Kelvin ou menos. Essas temperaturas são alcançadas com a ajuda do hélio líquido, que é energeticamente muito caro para liquefazer (gases e eletricidade criogênicos estão entre os principais custos em laboratórios de ressonância paramagnética eletrônica, como o Electron Magnetic Ressonance Facility (EMR) no MagLab , ou, mais próximo na minha experiência, na seção de ressonância paramagnética eletrônica pulsada no ICMol) Não tenho experiência com armadilhas de íons / átomos, que também são arquiteturas populares; portanto, embora exijam manutenção de um vácuo de alta qualidade, pelo que sei, é possível que sejam mais eficientes em termos energéticos.