Kuantum bilgisayarlar, en iyi süper bilgisayarlarda evrenin yaşını (yani on milyarlarca yıl) alabilecekleri sorunları birkaç saat içinde çözme potansiyelleri nedeniyle son zamanlarda büyük ilgi gördü. Gerçek hayattaki uygulamaları çok çeşitlidir ve ilaç ve malzeme tasarımından karmaşık optimizasyon problemlerinin çözümüne kadar uzanır. Bu nedenle öncelikle bilimsel ve endüstriyel araştırmalara yöneliktirler.

Geleneksel olarak, “kuantum üstünlüğü” ham bilgi işlem gücü açısından aranır: (çok) daha hızlı hesaplamak istiyoruz.

Bununla birlikte, mevcut süper bilgisayarların bazen küçük bir kasaba kadar elektrik tüketmesiyle (aslında bilgi işlem güçlerindeki artışı sınırlayabilir ) enerji tüketimi sorunu artık araştırmayı gerektirebilir . Bilgi teknolojileri, sonunda, 2020’de küresel elektrik tüketiminin %11’ini oluşturdu.

Neden kuantum bilgisayarların enerji tüketimine odaklanalım?

Bir kuantum bilgisayar, bir süper bilgisayarın birkaç on milyarlarca yıl sürebileceği sorunları birkaç saat içinde çözebildiğinden, çok daha az enerji tüketmesini beklemek doğaldır. Bununla birlikte, bu kadar güçlü kuantum bilgisayarları üretmek, potansiyel olarak bir ila birkaç on yıllık araştırmalarla birçok bilimsel ve teknolojik zorluğu çözmemizi gerektirecektir.

Daha mütevazı bir hedef, hesaplamaları süper bilgisayarlarla karşılaştırılabilir bir zamanda çözebilen, ancak çok daha az enerji kullanan daha az güçlü kuantum bilgisayarlar yaratmak olacaktır.

Kuantum hesaplamanın bu potansiyel enerji faydası daha önce tartışılmıştı. Google’ın Sycamore kuantum işlemcisi , bir süper bilgisayardan çok daha az olan 26 kilovat elektrik gücü tüketir ve saniyeler içinde bir test kuantum algoritması çalıştırır. Deneyin ardından bilim adamları, kuantum algoritmasını simüle etmek için klasik algoritmalar ortaya koydular. Klasik algoritmalar için ilk teklifler çok daha fazla enerji gerektiriyordu – ki bu kuantum hesaplamanın enerji avantajını gösteriyor gibiydi, ancak kısa süre sonra bunları çok daha fazla enerji verimli olan diğer teklifler izledi .

Bu nedenle, enerji avantajı sorunu hala sorgulanmaya açıktır ve özellikle Sycamore tarafından gerçekleştirilen kuantum algoritmasının bugüne kadar tanımlanmış “yararlı” bir uygulaması olmadığı için açık bir araştırma konusudur.

Süperpozisyon: Kuantum hesaplamanın kalbindeki kırılgan fenomen

Kuantum bilgisayarların bir enerji avantajı sağlayıp sağlamayacağını bilmek için, çalıştıkları temel yasaları anlamak gerekir.

Kuantum bilgisayarları , bir hesaplama yapmak için qubit ( kuantum bitleri için) adı verilen fiziksel sistemleri manipüle eder. Bir kübit iki değer alabilir: 0 (minimum enerjinin “temel durumu”) ve 1 (maksimum enerjinin “uyarılmış hali”). Aynı zamanda 0 ve 1’lik bir “üst üste bindirme”yi de işgal edebilir . belirli ilişkili “olasılık genlikleri” .

Bu olasılıklar sayesinde , kuantum bilgisayarının birkaç sayı üzerinde “aynı anda” (bu durumda 0 ve 1 aynı anda) hesaplamalar yapan algoritmalar uyguladığını söyleyerek, kuantum bilgisayarının prensibini büyük ölçüde basitleştirebiliriz . Bu avantaj, kübit sayısı artırıldığında netleşir: Süperpozisyonlardaki 300 kübit, aynı anda 2 üzeri 300 durumu temsil edebilir. Örnek olarak, bu yaklaşık olarak gözlemlenebilir evrendeki atomların sayısıdır – bu nedenle bir süper bilgisayarda bu kadar çok durumu aynı anda temsil etmek tamamen gerçekçi değildir.

Kaliforniya’da bir adam kuantum bilgisayarının yanında duruyor.

Bununla birlikte, kuantum teorisinin temelleri bize, bu olasılık genliklerinin değerleri başka bir fiziksel sistem tarafından “ölçülürse”, süperpozisyonun yok edildiğini söyler: kübit 1 veya 0 değerine gevşer, böylece hesaplamada bir hata ortaya çıkar. .

Böyle bir yıkımın somut bir örneği, kübitin bir fotonu (küçük bir enerji paketi olan bir ışık parçacığı) emmesidir. Durum buysa, bunun nedeni maksimum enerji durumunda olmamasıdır (çünkü fotonun enerjisini emebilir). Foton ve dolayısıyla onun aracılığıyla kübitin “çevresi”, bu nedenle, süperpozisyonu yok eden genliklerin değerini dolaylı olarak “bulmuştur”. Buna “dekoherans” denir .

Genel olarak konuşursak, zorluk, herhangi bir bilgi sızıntısını önlemek için kübitlerin yeterince izole edilmesini sağlamaktır: Bir fotonun veya başka bir parçacığın kübitimizi bozmasına izin veremeyiz. Bu bir meydan okumadır çünkü kübitler de kontrol edilebilir olmalıdır: tamamen izole edilemezler.

Bu koruma eksikliği, kübit tabanlı hesaplamalardaki ana hata kaynağıdır. Örneğin, en olgun kübit teknolojilerinden biri, her 1000 işlemde bir hatayla karşılaşır . Tipik bir kuantum algoritması için 10¹³ işlem gerektirdiğini düşündüğünüzde, bunun çok fazla olduğunu görebilirsiniz.

Süperpozisyonları korumanın bir enerji maliyeti vardır

Bir kuantum bilgisayarı hesaplamanın enerji maliyeti, çoğunlukla bu “kuantum verilerinin korunması” ihtiyacından gelecektir. Örneğin, kübit ortamını mutlak sıfıra (-273°C) yakın bir değere ayarlamak, yukarıda bahsedilen problemden kaçınarak, bu ortamı hiçbir fotonun doldurmamasını sağlamak için genellikle gereklidir. Bu çok enerji yoğun bir süreçtir.

Kuantum hata düzeltmesi gibi bazı diğer teknikler de kuantum bilgilerini korur ve işlemlerin doğruluğunu artırabilir. Bununla birlikte, ortaya çıkardıkları zorluklara ek olarak, bu teknikler, hata tespit algoritmaları veya hata tespiti için ek kübitler vb. içerdikleri için çok yüksek bir enerji maliyetine de neden olurlar.

Kısacası, bir kübit üzerinde yapılan bir işlemin ne kadar doğru olmasını istersek, o kadar çok korunması gerekecek ve bunun için o kadar fazla enerji harcamamız gerekecek. Kuantum hesaplamada “hata oranı” ile “enerji” arasında çok güçlü bir bağlantı vardır. Bu bağlantıyı tam olarak anlamak, daha sonra çok enerji verimli bir bilgisayarın tasarımına izin verebilir.

Bir enerji kuantum avantajı mümkün mü?

Bazı teorik çalışmalar, kuantum bilgisayarların gerçekleştirilmesi için gerekli olan enerji maliyetini hesaplayabildi, ancak optimize edilmemiş bir rejimde , özellikle hata oranı ve enerji arasındaki bağlantıdan faydalanmadan ve genellikle basitleştirilmiş bir bilgisayar modeliyle.

Bu bağlantıdan yararlanmak , algoritmaların enerji maliyetini azaltan güçlü optimizasyonlara yol açabilir . Pratikte bu , uyumsuzluğa neden olan temel fenomenlerin anlaşılmasını, kuantum hata düzeltme algoritmalarının ve kodlarının modellenmesini ve ayrıca kübitleri kontrol etmek için gerekli olan tüm “mühendislik” bölümünü içeren disiplinler arası bir yaklaşım gerektirir . Daha sonra, “kabul edilebilir” olarak kabul edilen algoritma için bir hata olasılığı hedeflenirken, farklı problemleri çözmek için gereken minimum enerji maliyeti hesaplanabilir.

Kuantum bilgi işlem sisteminden bir disk

Gördüğümüz gibi , mükemmel kalitede kübitler için (yani, bugün pratikte hala erişilemeyen bir kalitede), karşılaştırılabilir bir performans için kuantum bilgisayarının mevcut en iyi süper bilgisayarlardan yüz kat daha az enerji harcayabileceği görevler vardır. hesaplama süresi (her ikisinin de görevi makul bir sürede çözebileceği anlamında karşılaştırılabilir). 100 faktörlük bu enerji kazanımı da gösterge niteliğindedir: ek optimizasyonlar gerçekleştirerek daha fazla enerji tasarrufu yapmak hayal edilebilir.

Bunun nedeni, bir kuantum bilgisayarının, bir kuantum bilgisayardan temelde farklı süreçler kullanarak hesaplama yapmasıdır: ilki, kübitleri ve sonraki bitleri manipüle eder. Bu nedenle, aynı görev için ve hatta aynı hesaplama süresi için, işlem sayısı büyük ölçüde farklı olabilir. Ayrıca, bir kuantum bilgisayarda gerçekleştirilen bir işlem, bir süper bilgisayarda uygulanandan kökten farklı olan fiziksel süreçleri içerecektir. Bu iki açıklama birlikte ele alındığında, kavramsal olarak, eşit hesaplama zamanında bile, bir kuantum mantık işlemi klasik bir mantık işleminden daha fazla enerji tüketse bile, daha az sayıda kuantum mantık işlemi, kuantum bilgisayarın nihayetinde çok daha fazla enerji olacağı anlamına gelebilir. -verimli.

Elbette bu örnek, bazen oldukça iyimser varsayımlara dayanan teorik hesaplamalardan gelmektedir. Bununla birlikte, kuantum hesaplamanın birincil avantajlarından birinin , hesaplamadan önce enerjik olabileceğini gösteriyor gibi görünüyor .