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(shù)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(shù)。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(shù),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(shù)
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(shù)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(yīng)對全球變暖的一些最具影響力的技術(shù)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(xué)和物流優(yōu)化中的作用。
在電動汽車領(lǐng)域,量子計算機可以幫助設(shè)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(lǐng)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(lǐng)域,其可以幫助設(shè)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(luò)。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(guān)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(dāng)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(dāng)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(yīng)用中與Frontier相媲美。我們預(yù)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(shè)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(wù)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(yù)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(lǐng)能源友好型技術(shù)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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