量子計算機的雙重節(jié)能潛力

量子計算機的雙重節(jié)能潛力

量子計算機提供了開發(fā)更高效技術的方法，同時比傳統(tǒng)計算機使用更少的能量。

量子計算機有望徹底改變我們的世界，不僅可以有效解決傳統(tǒng)計算機無法解決的棘手問題，而且還可以開發(fā)新的節(jié)能技術。這種雙管齊下的節(jié)能方法——提高計算效率和促進創(chuàng)新節(jié)能技術，將重新定義高性能計算和節(jié)能的前景。

釋放新的節(jié)能技術

量子計算機憑借其卓越的計算能力，可以加快新節(jié)能技術的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。例如，其可以促進創(chuàng)建更高效的電動汽車電池、更好地了解合成氨生產(chǎn)工藝、通過優(yōu)化物流路線節(jié)省能源，以及開發(fā)更高效的太陽能電池。

雖然其潛力的充分發(fā)揮還需要數(shù)十年的時間，但最近的進展表明，早期的機器（將在2020年代和2030年代初投入使用）可以為應對全球變暖的一些最具影響力的技術做出重大貢獻。

量子計算在開發(fā)綠色氨生產(chǎn)、綠色氫能和碳捕獲的新型催化劑方面具有潛力。其還討論了量子計算在新材料開發(fā)以及流體動力學和物流優(yōu)化中的作用。

在電動汽車領域，量子計算機可以幫助設計具有更高能量密度和更快充電時間的電池，從而顯著提高這些車輛的續(xù)航里程和可用性。

在物流領域，量子計算機可以優(yōu)化路線，減少車輛行駛的距離，從而節(jié)省燃料。在可再生能源領域，其可以幫助設計更高效的太陽能電池，提高能源轉(zhuǎn)換效率，并使太陽能成為化石燃料更可行的替代品。

量子計算機的能源效率

現(xiàn)在，來了解一下量子計算機本身的能源效率。世界上最強大的超級計算機，如“Top500”所列，消耗大量的能源，有些接近30兆瓦。

例如，位于橡樹嶺國家實驗室的Frontier超級計算機需要21.1兆瓦才能運行。這臺計算機的能源成本每年超過2300萬美元。

相比之下，來自世界上最大的公共計算機之一QuEra的256量子位Aquila中性原子量子計算機，其功耗不到7千瓦，不到這臺強大的經(jīng)典超級計算機功耗的0.05%。雖然QuEra計算機效率很高，但IBM、Rigetti、Google和D-Wave等制造商的量子計算機也消耗約10-25 kW。

超級計算機本質(zhì)上是互連的CPU（中央處理單元）和GPU（圖形處理單元）網(wǎng)絡。超級計算機的計算能力和功耗幾乎與這些處理器的數(shù)量成線性關系。本質(zhì)上，要使計算速度加倍，將需要大約兩倍的處理器數(shù)量。

與此形成鮮明對比的是，由于疊加和糾纏的量子現(xiàn)象，量子計算機的計算能力隨著量子比特的數(shù)量呈指數(shù)級增長。這種指數(shù)級增長支撐了量子計算機超越超級計算機計算能力的潛力。

此外，計算能力的指數(shù)增長并不會轉(zhuǎn)化為量子計算機功耗的類似增長。因此，即使在提供相當或更好的計算性能的情況下，量子計算機也有望保持比超級計算機更高的功率效率。

當然，QuEra的7kW 256量子位計算機尚無法與Frontier的計算能力相媲美，但在幾代之后，其可以在某些應用中與Frontier相媲美。我們預計，一臺配備了10,000個量子位的QuEra計算機——比大多數(shù)超級計算機更強大的量子計算機，其功耗仍將低于10千瓦。這一估計考慮了維持額外10,000個原子（量子位）就位所需的最小額外能量，以及控制電子設備的略微增加。

10,000個量子位的10kW仍然不到最強大的經(jīng)典超級計算機功耗的十分之一。如果這臺10,000量子位計算機只能執(zhí)行Frontier所執(zhí)行任務的5%，那么每年將減少近10千兆瓦時的能源消耗，并節(jié)省超過100萬美元。

簡而言之，量子計算機可以計算更多，但消耗更少。

截至2021年，全球數(shù)據(jù)中心用電量預計在220-320太瓦時之間，約占全球最終電力需求的0.9-1.3%。為了幫助減少這百分之一的能源消耗，政府可以鼓勵企業(yè)采用量子計算機作為其可持續(xù)發(fā)展計劃的一部分。

例如，政府可以為投資量子計算的企業(yè)提供稅收減免或資助量子計算研究，使企業(yè)更容易獲得量子計算，從而釋放能源創(chuàng)新，同時降低能源消耗。

總之，量子計算機不僅可以開創(chuàng)計算問題解決的新時代，還可以引領能源友好型技術的發(fā)展，并為高性能計算提供更可持續(xù)的方法。計算能力的提高——足以開發(fā)新材料和方法，并不以犧牲地球資源為代價。這是量子計算的真正力量。這種力量超越了量子位和算法，包括可持續(xù)性和能源效率。

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