Quelle est l'efficacité énergétique des ordinateurs quantiques?

Comme nous le savons tous, les algorithmes quantiques évoluent plus rapidement que les algorithmes classiques (au moins pour certains types de problèmes ), ce qui signifie que les ordinateurs quantiques nécessiteraient un nombre beaucoup plus faible d'opérations logiques pour les entrées supérieures à une taille donnée.

Cependant, on ne discute pas si souvent comment les ordinateurs quantiques se comparent aux ordinateurs ordinaires (un PC normal aujourd'hui) en termes de consommation d'énergie par opération logique. (Cela n'a-t-il pas été beaucoup parlé, car l'objectif principal des ordinateurs quantiques est de savoir à quelle vitesse ils peuvent calculer des données?)

Quelqu'un peut-il expliquer pourquoi l'informatique quantique serait plus ou moins économe en énergie que l'informatique classique, par opération logique?

Comme d'habitude, il est trop tôt pour faire des comparaisons comme celle-ci. La consommation d'énergie d'un appareil dépendra fortement de l'architecture qu'il utilise, d'une part.

Cependant, en principe , il n'y a aucune raison de soupçonner que les ordinateurs quantiques consommeraient plus d'énergie que les appareils classiques effectuant les mêmes opérations. En effet, on pourrait s'attendre à l'inverse, la raison fondamentale étant que les ordinateurs quantiques fonctionnent (principalement) via des opérations unitaires . Une opération unitaire est une opération réversible ou, en d'autres termes, une opération au cours de laquelle aucune information n'est perdue pour l'environnement . Une telle opération est fondamentalement "parfaitement" économe en énergie (d'une part, elle ne produirait pas de chaleur).

Ainsi, en principe , les opérations élémentaires effectuées dans un algorithme quantique qui utilise des opérations unitaires peuvent être idéalement économes en énergie. Ceci est en contraste direct avec ce que vous avez avec les appareils classiques, dans lesquels les opérations élémentaires sont irréversibles, et donc "gaspillent" une certaine quantité d'informations pour chaque opération.

Cela dit, il y a un million de mises en garde à prendre en compte. Par exemple, les ordinateurs quantiques dans le monde réel devront faire face à la décohérence, afin que les opérations ne soient pas vraiment unitaires. Cela implique que des protocoles de correction d'erreurs sont nécessaires pour en tenir compte, et il faut ensuite aller suivre la consommation d'énergie supplémentaire de tout ce processus. De plus, bien que les opérations unitaires soient éconergétiques, en pratique, lorsque l'on obtient le résultat de la mesure, des mesures doivent être effectuées, et ce sont des opérations non réversibles qui détruisent généralement les informations. Après chacune de ces mesures, il faudra générer à nouveau les supports d'informations. De plus, de nombreux protocoles de calcul quantique reposent sur des mesures répétées pendantle calcul. On pourrait continuer encore et encore, car il s'agit d'un territoire très inexploré.

Un travail récent qui discute dans une certaine mesure du problème de consommation d'énergie est le 1610.02365 , dans lequel les auteurs présentent une méthode de traitement de l'information (apprentissage automatique classique) utilisant des puces photoniques. L'une des affirmations des auteurs est que les puces photoniques permettent d'effectuer des opérations d'une manière extrêmement économe en énergie, en exploitant l'évolution naturelle de la lumière cohérente. Ils ne démontrent aucune forme de calcul quantique , mais leurs raisonnements d'efficacité énergétique ne changeraient pas beaucoup lorsqu'ils utilisent le même appareil pour le traitement de l'information quantique .

La réponse à la première question (pourquoi l'efficacité énergétique quantique vs classique n'est pas discutée aussi souvent que la vitesse?) Est: en partie parce que le problème est moins univoque et en partie parce que la réponse est moins flatteuse.

La réponse à la deuxième question (les ordinateurs quantiques sont-ils plus ou moins énergétiquement efficaces?) Changeront avec le temps, car cela dépend des évolutions technologiques des différentes architectures.

À l'heure actuelle, l'informatique quantique est évidemment moins énergétiquement efficace. Un ordinateur classique minimal peut être conçu pour être extrêmement bon marché, également en termes d'énergie (par exemple 1,5 W (moyenne au repos) à 6,7 W (maximum sous contrainte) pour un Raspberry Pi ). En revanche, construire et exploiter un ordinateur quantique minimal est aujourd'hui une prouesse d'ingénierie avec un coût énergétique énorme, même si le nombre de qubits est bien inférieur à 100 et que le nombre maximal d'opérations est de plusieurs ordres de grandeur inférieur à ce qui est réalisé en une fraction de seconde par un ordinateur classique minimal.

À l'avenir, on peut soit spéculer, soit prendre en compte les fondamentaux. Evitons la spéculation et respectons les fondamentaux:

• Il n'y a aucune raison physique fondamentale absolue pour que les ordinateurs quantiques soient plus ou moins économes en énergie que les ordinateurs classiques.
• L'efficacité énergétique dépendra toujours de l'architecture et donc des solutions technologiques disponibles.
• Pour évaluer la consommation d'énergie, il sera toujours important de distinguer entre la consommation au ralenti et le coût de fonctionnement.

Pour approfondir ce dernier point, les dispositifs actuels, à la fois dans des contextes commerciaux et académiques, sont volumineux. Pas de taille ENIAC, mais de taille plus grande qu'un grand réfrigérateur. De plus, pour être contrôlés, ils nécessitent un ordinateur auxiliaire classique. La taille par qubit devrait s'améliorer, la nécessité d'un ordinateur auxiliaire classique ne l'est pas.

Mais en plus de l'énergie électrique directe, il existe souvent d'autres exigences physiques qui coûtent de l'énergie et qui sont fondamentalement nécessaires pour maintenir l'appareil dans le régime quantique souhaité. Par exemple, les architectures populaires incluent aujourd'hui différents dispositifs à semi-conducteurs qui doivent être maintenus à des températures de l'ordre de quelques Kelvin ou moins. Ces températures sont atteintes à l'aide d'hélium liquide, qui est énergétiquement très coûteux à liquéfier (les gaz cryogéniques et l'électricité sont parmi les principaux coûts dans les laboratoires de résonance paramagnétique électronique tels que l'Electron Magnetic Resonance Facility (EMR) au MagLab , ou plus près à mon expérience, dans la section de résonance paramagnétique électronique pulsée à l' ICMol). Je n'ai aucune expérience avec les pièges à ions / atomes, qui sont également des architectures populaires, donc bien qu'ils nécessitent de maintenir un vide de haute qualité, car je sais que ce sont peut-être plus économes en énergie.