Quanto sono efficienti i computer quantistici?

Come tutti sappiamo, gli algoritmi quantistici scalano più velocemente di quelli classici (almeno per alcuni casi problematici ), il che significa che i computer quantistici richiederebbero un numero molto più piccolo di operazioni logiche per input superiori a una data dimensione.

Tuttavia, non si discute così comunemente di come i computer quantistici si confrontano con i computer normali (un PC normale oggi) in termini di consumo di energia per operazione logica. (Non si è parlato molto di questo, perché l'obiettivo principale dei computer quantistici è la velocità con cui possono calcolare i dati?)

Qualcuno può spiegare perché il calcolo quantistico sarebbe più o meno efficiente dal punto di vista energetico rispetto al calcolo classico, per operazione logica?

Come al solito, è troppo presto per fare confronti come questo. Il consumo di energia di un dispositivo dipenderà fortemente dall'architettura che utilizza, per uno.

Tuttavia, in linea di principio , non vi è motivo di sospettare che i computer quantistici consumerebbero più energia dei dispositivi classici che eseguono le stesse operazioni. In effetti, ci si aspetterebbe il contrario, la ragione fondamentale è che i computer quantistici funzionano (principalmente) tramite operazioni unitarie . Un'operazione unitaria è un'operazione reversibile o, in altre parole, un'operazione durante la quale nessuna informazione viene persa nell'ambiente . Tale operazione è sostanzialmente "perfettamente" efficiente dal punto di vista energetico (per esempio, non produrrebbe calore).

Quindi, in linea di principio , le operazioni elementari eseguite in un algoritmo quantistico che utilizza operazioni unitarie possono essere idealmente efficienti dal punto di vista energetico. Ciò è in diretto contrasto con ciò che si ha con i dispositivi classici, in cui le operazioni elementari non sono reversibili e quindi necessariamente "sprecano" una quantità di informazioni per ogni operazione.

Detto questo, ci sono un milione di avvertenze da prendere in considerazione. Ad esempio, i computer quantistici nel mondo reale dovranno fare i conti con la decoerenza, in modo che le operazioni non siano realmente unitarie. Ciò implica che i protocolli di correzione degli errori sono necessari per tenerne conto, e si dovrebbe quindi andare a tracciare quale sia il consumo di energia aggiunto dell'intero processo. Inoltre, mentre le operazioni unitarie sono efficienti dal punto di vista energetico, in pratica quando si acquisisce il risultato della misurazione, le misurazioni devono essere eseguite e queste sono operazioni non reversibili che in genere distruggono le informazioni. Dopo ciascuna di tali misurazioni, sarà necessario generare nuovamente i portatori di informazioni. Inoltre, molti protocolli di calcolo quantistico si basano su misurazioni ripetute duranteil calcolo. Si potrebbe continuare all'infinito, dato che si tratta di un territorio inesplorato.

Un recente lavoro che discute in qualche misura del problema del consumo di energia è il 1610.02365 , in cui gli autori presentano un metodo per l'elaborazione delle informazioni (apprendimento automatico classico) utilizzando chip fotonici. Un'affermazione degli autori è che i chip fotonici consentono di eseguire operazioni in modo estremamente efficiente dal punto di vista energetico, sfruttando la naturale evoluzione della luce coerente. Non dimostrano alcun calcolo quantistico sotto forma , ma i loro ragionamenti sull'efficienza energetica non cambieranno molto quando si utilizza lo stesso dispositivo per l' elaborazione delle informazioni quantistiche .

La risposta alla prima domanda (perché l'efficienza energetica in quantistica o classica non è discussa tanto spesso quanto la velocità?) È: in parte perché il problema è meno univoco e in parte perché la risposta è meno lusinghiera.

La risposta alla seconda domanda (i computer quantistici sono più o meno energeticamente efficienti?) Cambierà nel tempo, poiché dipende dagli sviluppi tecnologici delle diverse architetture.

Al momento, il calcolo quantistico è ovviamente meno efficiente dal punto di vista energetico. Un computer classico minimale può essere progettato per essere estremamente economico, anche in termini di energia (ad es. Da 1,5 W (media quando inattivo) a 6,7 ​​W (massimo sotto stress) per un Raspberry Pi ). Al contrario, oggi per costruire e far funzionare un computer quantistico minimo è un'impresa ingegneristica con un costo energetico sbalorditivo, anche se il numero di qubit è ben al di sotto di 100 e il numero massimo di operazioni è ordini di grandezza al di sotto di quello che si ottiene in una frazione di secondo da un computer classico minimale.

In futuro, si può speculare o prendere in considerazione i fondamenti. Evitiamo le speculazioni e atteniamoci ai fondamenti:

• Non esiste una ragione fisica fondamentale assoluta affinché i computer quantistici siano più o meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli classici.
• L'efficienza energetica dipenderà sempre dall'architettura e quindi dalle soluzioni tecnologiche disponibili.
• Per valutare il consumo di energia, sarà sempre importante distinguere tra consumo inattivo e costo di funzionamento.

Per approfondire quest'ultimo punto, i dispositivi attuali, sia in ambito commerciale che accademico, sono ingombranti. Non di dimensioni ENIAC, ma più grandi di un grande frigorifero. Inoltre, per essere controllati richiedono un computer classico ausiliario. Le dimensioni per qubit dovrebbero migliorare, la necessità di un computer classico ausiliario non lo è.

Ma oltre all'energia elettrica diretta, ci sono spesso ulteriori requisiti fisici che costano energia e che sono fondamentalmente necessari per mantenere il dispositivo nel regime quantistico desiderato. Ad esempio, le architetture popolari oggi includono diversi dispositivi a stato solido che devono essere mantenuti a temperature dell'ordine di alcuni Kelvin o inferiori. Queste temperature sono raggiunte con l'aiuto dell'elio liquido, che è energeticamente molto costoso da liquidare (i gas criogenici e l'elettricità sono tra i principali costi nei laboratori di risonanza paramagnetica elettronica come l'Electron Magnetic Resonance Facility (EMR) presso il MagLab , o, più vicino alla mia esperienza, nella sezione pulsata di risonanza paramagnetica elettronica dell'ICMol). Non ho esperienza con le trappole ioniche / atomiche, che sono anche architetture popolari, quindi mentre richiedono il mantenimento di un vuoto di alta qualità, perché so che potrebbero essere più efficienti dal punto di vista energetico.