量子計(jì)算機(jī)的雙重節(jié)能潛力

量子計(jì)算機(jī)的雙重節(jié)能潛力

量子計(jì)算機(jī)提供了開(kāi)發(fā)更高效技術(shù)的方法，同時(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用更少的能量。

量子計(jì)算機(jī)有望徹底改變我們的世界，不僅可以有效解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的棘手問(wèn)題，而且還可以開(kāi)發(fā)新的節(jié)能技術(shù)。這種雙管齊下的節(jié)能方法——提高計(jì)算效率和促進(jìn)創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)，將重新定義高性能計(jì)算和節(jié)能的前景。

釋放新的節(jié)能技術(shù)

量子計(jì)算機(jī)憑借其卓越的計(jì)算能力，可以加快新節(jié)能技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)。例如，其可以促進(jìn)創(chuàng)建更高效的電動(dòng)汽車電池、更好地了解合成氨生產(chǎn)工藝、通過(guò)優(yōu)化物流路線節(jié)省能源，以及開(kāi)發(fā)更高效的太陽(yáng)能電池。

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

量子計(jì)算在開(kāi)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(jì)算在新材料開(kāi)發(fā)以及流體動(dòng)力學(xué)和物流優(yōu)化中的作用。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)具有更高能量密度和更快充電時(shí)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(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)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(lǐng)域，其可以幫助設(shè)計(jì)更高效的太陽(yáng)能電池，提高能源轉(zhuǎn)換效率，并使太陽(yáng)能成為化石燃料更可行的替代品。

量子計(jì)算機(jī)的能源效率

現(xiàn)在，來(lái)了解一下量子計(jì)算機(jī)本身的能源效率。世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，如“Top500”所列，消耗大量的能源，有些接近30兆瓦。

例如，位于橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Frontier超級(jí)計(jì)算機(jī)需要21.1兆瓦才能運(yùn)行。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的能源成本每年超過(guò)2300萬(wàn)美元。

相比之下，來(lái)自世界上最大的公共計(jì)算機(jī)之一QuEra的256量子位Aquila中性原子量子計(jì)算機(jī)，其功耗不到7千瓦，不到這臺(tái)強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)功耗的0.05%。雖然QuEra計(jì)算機(jī)效率很高，但I(xiàn)BM、Rigetti、Google和D-Wave等制造商的量子計(jì)算機(jī)也消耗約10-25 kW。

超級(jí)計(jì)算機(jī)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(luò)。超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和功耗幾乎與這些處理器的數(shù)量成線性關(guān)系。本質(zhì)上，要使計(jì)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(duì)比的是，由于疊加和糾纏的量子現(xiàn)象，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨著量子比特的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)支撐了量子計(jì)算機(jī)超越超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的潛力。

此外，計(jì)算能力的指數(shù)增長(zhǎng)并不會(huì)轉(zhuǎn)化為量子計(jì)算機(jī)功耗的類似增長(zhǎng)。因此，即使在提供相當(dāng)或更好的計(jì)算性能的情況下，量子計(jì)算機(jī)也有望保持比超級(jí)計(jì)算機(jī)更高的功率效率。

當(dāng)然，QuEra的7kW 256量子位計(jì)算機(jī)尚無(wú)法與Frontier的計(jì)算能力相媲美，但在幾代之后，其可以在某些應(yīng)用中與Frontier相媲美。我們預(yù)計(jì)，一臺(tái)配備了10,000個(gè)量子位的QuEra計(jì)算機(jī)——比大多數(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，其功耗仍將低于10千瓦。這一估計(jì)考慮了維持額外10,000個(gè)原子（量子位）就位所需的最小額外能量，以及控制電子設(shè)備的略微增加。

10,000個(gè)量子位的10kW仍然不到最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)功耗的十分之一。如果這臺(tái)10,000量子位計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行Frontier所執(zhí)行任務(wù)的5%，那么每年將減少近10千兆瓦時(shí)的能源消耗，并節(jié)省超過(guò)100萬(wàn)美元。

簡(jiǎn)而言之，量子計(jì)算機(jī)可以計(jì)算更多，但消耗更少。

截至2021年，全球數(shù)據(jù)中心用電量預(yù)計(jì)在220-320太瓦時(shí)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(lì)企業(yè)采用量子計(jì)算機(jī)作為其可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃的一部分。

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

總之，量子計(jì)算機(jī)不僅可以開(kāi)創(chuàng)計(jì)算問(wèn)題解決的新時(shí)代，還可以引領(lǐng)能源友好型技術(shù)的發(fā)展，并為高性能計(jì)算提供更可持續(xù)的方法。計(jì)算能力的提高——足以開(kāi)發(fā)新材料和方法，并不以犧牲地球資源為代價(jià)。這是量子計(jì)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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