¿Cuán eficientes son las computadoras cuánticas?

Como todos sabemos, los algoritmos cuánticos se escalan más rápido que los clásicos (al menos para ciertas clases de problemas ), lo que significa que las computadoras cuánticas requerirían un número mucho menor de operaciones lógicas para entradas por encima de un tamaño determinado.

Sin embargo, no se discute tan comúnmente cómo las computadoras cuánticas se comparan con las computadoras normales (una PC normal en la actualidad) en términos de consumo de energía por operación lógica. (¿No se ha hablado mucho de esto, porque el enfoque principal de las computadoras cuánticas es qué tan rápido pueden calcular datos?)

¿Alguien puede explicar por qué la computación cuántica sería más o menos eficiente energéticamente que la computación clásica, por operación lógica?

Como de costumbre, es demasiado pronto para hacer comparaciones como esta. El consumo de energía de un dispositivo dependerá en gran medida de la arquitectura que utilice, por ejemplo.

Sin embargo, en principio , no hay razón para sospechar que las computadoras cuánticas consumirían más energía que los dispositivos clásicos que realizan las mismas operaciones. De hecho, uno esperaría lo contrario, la razón fundamental es que las computadoras cuánticas funcionan (principalmente) a través de operaciones unitarias . Una operación unitaria es una operación reversible o, en otras palabras, una operación durante la cual no se pierde información para el medio ambiente . Tal operación es básicamente "perfectamente" eficiente energéticamente (por un lado, no produciría calor).

Por lo tanto, en principio , las operaciones elementales realizadas en un algoritmo cuántico que utiliza operaciones unitarias pueden ser idealmente eficientes energéticamente. Esto está en contraste directo con lo que tiene con los dispositivos clásicos, en los cuales las operaciones elementales no son reversibles y, por lo tanto, necesariamente "desperdician" cierta cantidad de información para cada operación.

Dicho esto, hay un millón de advertencias a tener en cuenta. Por ejemplo, las computadoras cuánticas en el mundo real tendrán que lidiar con la decoherencia, para que las operaciones no sean realmente unitarias. Esto implica que los protocolos de corrección de errores son necesarios para tener esto en cuenta, y luego se debe ir y rastrear cuál es el consumo de energía adicional de todo este proceso. Además, si bien las operaciones unitarias son energéticamente eficientes, en la práctica, cuando uno adquiere el resultado de la medición, las mediciones deben realizarse, y estas son operaciones no reversibles que generalmente destruyen la información. Después de cada medición, será necesario generar nuevamente los portadores de información. Además, muchos protocolos de computación cuántica se basan en mediciones repetidas duranteEl cálculo. Uno podría seguir y seguir, ya que este es un territorio muy desconocido.

Un trabajo reciente que discute en cierta medida el problema del consumo de energía es 1610.02365 , en el que los autores presentan un método para el procesamiento de información (aprendizaje automático clásico) utilizando chips fotónicos. Una afirmación de los autores es que los chips fotónicos permiten realizar operaciones de una manera extremadamente eficiente energéticamente, explotando la evolución natural de la luz coherente. No demuestran ninguna forma de cálculo cuántico , pero sus razonamientos de eficiencia energética no cambiarían mucho al usar el mismo dispositivo para el procesamiento de información cuántica .

La respuesta a la primera pregunta (¿por qué la eficiencia energética en cuanto cuántica versus clásica no se discute con tanta frecuencia como la velocidad?) Es: en parte porque el problema es menos unívoco y en parte porque la respuesta es menos halagadora.

La respuesta a la segunda pregunta (¿son las computadoras cuánticas más o menos energéticamente eficientes?) Cambiará con el tiempo, ya que depende de los desarrollos tecnológicos de las diferentes arquitecturas.

En la actualidad, la computación cuántica es obviamente menos eficiente energéticamente. Una computadora clásica mínima puede diseñarse para que sea extremadamente barata, también en términos de energía (por ejemplo, 1.5 W (promedio cuando está inactivo) a 6.7 W (máximo bajo tensión) para una Raspberry Pi ). En contraste, hoy en día construir y operar una computadora cuántica mínima es una hazaña de ingeniería con un costo de energía asombroso, incluso si el número de qubits está muy por debajo de 100 y el número máximo de operaciones es de órdenes de magnitud por debajo de lo que se logra en una fracción de segundo por una computadora clásica mínima.

En el futuro, uno puede especular o tener en cuenta los fundamentos. Evitemos la especulación y atenemos a los fundamentos:

• No existe una razón física fundamental absoluta para que las computadoras cuánticas sean más o menos eficientes energéticamente que las clásicas.
• La eficiencia energética siempre dependerá de la arquitectura y, por lo tanto, de las soluciones tecnológicas disponibles.
• Para evaluar el consumo de energía, siempre será importante distinguir entre el consumo inactivo y el costo de operación.

Para profundizar en este último punto, los dispositivos actuales, tanto en entornos comerciales como académicos, son voluminosos. No es del tamaño de ENIAC, pero es más grande que un refrigerador grande. Además, para ser controlados requieren una computadora clásica auxiliar. Se espera que el tamaño por qubit mejore, la necesidad de una computadora clásica auxiliar no lo es.

Pero además de la energía eléctrica directa, a menudo existen requisitos físicos adicionales que cuestan energía y que son fundamentalmente necesarios para mantener el dispositivo en el régimen cuántico deseado. Por ejemplo, las arquitecturas populares de hoy incluyen diferentes dispositivos de estado sólido que deben mantenerse a temperaturas del orden de unos pocos Kelvin o menos. Estas temperaturas se logran con la ayuda de helio líquido, que es energéticamente muy costoso de licuar (los gases criogénicos y la electricidad se encuentran entre los principales costos en los laboratorios de resonancia paramagnética electrónica, como la instalación de resonancia magnética electrónica (EMR) en el MagLab , o, más cerca según mi experiencia, en la sección de Resonancia Paramagnética de Electrones pulsados ​​en el ICMol) No tengo experiencia con trampas de iones / átomos, que también son arquitecturas populares, por lo que si bien requieren mantener un vacío de alta calidad, por lo que sé, puede ser que estas sean más eficientes energéticamente.