Вплив квантових обчислень на глобальну енергетичну систему

Вступ

Нещодавно я натрапив на статтю генерального директора D-Wave Верна Браунелла, в якій він пояснював свої погляди на вплив квантових обчислень на те, як світ використовує енергію. Статтею поділився шановний викладач Джонатан Рейхенталь, який також працює над деяким навчальним матеріалом для квантових обчислень. Я особисто знайшов точку зору на статтю дещо вузькою.

Те саме, що стосується енергоефективності квантових обчислень, виникало також під час мого візиту до подкасту Kyberykset, але ми насправді не вникали в це. Отже, я подумав, що зараз напишу статтю, що пояснює все питання, як я бачу. Давайте вивчимо питання про те, як квантові обчислення змінять глобальне споживання енергії за допомогою серії постійно розширюваних точок зору та рівнів абстракції.

Основи: термодинаміка, надпровідність та потужність

Перший закон термодинаміки говорить, що енергія ніколи не зникає. Таким чином, коли ми говоримо про щось, використовуючи енергію, ми фактично говоримо про другий закон, який стверджує, що ентропія або розлад в будь-якій закритій системі ніколи не зменшується. Коли ми перекладаємо це назад на нашу енергетичну точку зору, це означає, що енергія переходить у нову форму, яка є менш придатною для використання. Інші види енергій перетворюються на тепло і змішання теплових різниць, поки ми не зможемо більше витягувати роботу з енергії системи. Отже, коли щось на зразок комп’ютера використовує енергію, ми вкладаємо дуже корисну електроенергію, і ми можемо робити обчислення та створювати тепло. Якщо ми продовжуємо спостерігати за тим, що відбувається з кожним виходом, вони в кінцевому підсумку повертаються до тепла. Наприклад, світло з екрану потрапляє на стіну вашої кімнати і нагріває її.

У цьому є певна іронія, оскільки всі види обчислювальних пристроїв працюють погано, якщо вони перегріваються. Таким чином, ми в підсумку витрачаємо ще більше енергії, намагаючись підтримувати відповідні деталі прохолодними, але загалом створюємо більше тепла. Наприклад, ми витрачаємо енергію, щоб відвести відпрацьоване тепло від процесора в комп’ютері, запустивши електричний вентилятор для його охолодження.

Квантовий комп’ютер має багато потенційних апаратних реалізацій, але в даний час найпопулярніші реалізації базуються на надпровідності, як і комп’ютер D-Wave. На жаль, ми знаємо, як досягти надпровідності лише за дуже низьких температур, тому ці машини багато в чому є найкращими холодильниками у світі, які використовують досить багато енергії. Наприклад, версія D-Wave 2015 року використовувала 25 кВт потужності, а основна маса використовувалася для охолодження.

Це використання приблизно в 25-100 разів більше, ніж на настільному ПК. Запуск машини D-Wave протягом години дозволить вам безперервно запускати мобільний пристрій протягом місяців. Звучить схоже на запас енергії, але знову ж таки, двигуни Tesla S можуть видавати 581 кВт потужності. А убога Mazda 6, якою я колись їздив, мала двигун потужністю близько 90 кВт. Озираючись на обчислення, найшвидші суперкомп’ютери у світі потребують потужності в 10 000 кВт або в чотириста разів більше потужності, ніж машина D-Wave.

Здається, важко сказати, дивлячись лише на потужність, наскільки енергоефективним є квантовий комп’ютер.

Що робити, якщо нам не потрібно було охолодження?

Надзвичайно добре зауважити про реалізацію надпровідності – це те, що мікросхема справді є надпровідною, отже фактичний розрахунок використовує дуже мало енергії. Здається, це є ключовим принципом у пані. Аргумент Браунелла. По суті, нинішні квантові машини були б дуже енергоефективними, якби ми могли виробляти надпровідність при кімнатній температурі та усувати необхідність охолодження.

Як зазначалося, ця точка зору дуже вузька з кількох причин. По-перше, якби ми змогли створити надпровідність кімнатної температури, ми могли б вирішити багато світових енергетичних проблем лише за допомогою цієї технології. Наприклад, від 8 до 15% електроенергії втрачається між електростанцією та споживачем здебільшого через електричний опір, і історія подібна до всіх видів електронних пристроїв, включаючи класичні комп’ютери. По-друге, проблема надзвичайно важка. Як і квантові обчислення, надпровідність кімнатної температури має надійних академічних опонентів, які стверджують, що це просто неможливо.

Я б не ставлю на жодну оцінку впливу енергії для технології, яка передбачає надпровідність кімнатної температури.

Але в теорії: скажімо, ми можемо надпроводити

Скажімо, ми справді приборкуємо надпровідність, але продовжуємо експоненційно збільшувати свій попит на обчислення. Чи справді надпровідність робить квантові та класичні комп’ютери однаково ефективними з енергетичної точки зору? Тоді чи не мали б обидва пристрої, по суті, нульовий електричний опір і не витрачали б енергію на тепло?

Виявляється, закон природи, який іноді називали мінус-першим законом термодинаміки, забороняє інформацію ніколи не зникати. Отже, просто “втратити” інформацію є теплова ціна. Наприклад, підсумовуючи два та три, щоб отримати п’ять, лише зберігає п’ять, йому потрібно «втратити» інформацію цих вхідних компонентів. Ця “втрачена” інформація повинна виводитися як тепло.

На відміну від них, квантовий комп’ютер виконує оборотні обчислення, де жодна інформація ніколи не втрачається, і ви теоретично можете завжди запускати результати назад через машину для отримання вхідних даних. Існує теоретичне вдосконалення енергії при переході до квантових обчислень, яке неможливо подолати жодними інженерними зусиллями. Ця межа ще дуже далека від того, що ми насправді використовуємо в комп’ютерах сьогодні, тому це не є обмеженням для сучасних конструкцій.

Однак, як виявили найшвидші читачі, досить легко передбачити класичні пристрої обчислення, які просто не втрачають вхідні дані, і, таким чином, є оборотними, не будучи квантовими. Отже, є спосіб для нас порушити цю енергетичну межу, не звертаючись до квантових обчислень.

У будь-якому випадку, можливо, ми навіть не отримаємо надпровідних кубітів. Врешті-решт, це лише одна з конкуруючих реалізацій.

Від потужності пристрою до попиту на енергію

Тепер, коли ми підготували всіх інженерів, повернімося до практичного світу.

Для чого потрібен квантовий комп’ютер?

Чому ми хочемо мати квантові комп’ютери? Вирішити проблеми, які експоненційно важкі для класичного комп’ютера і, отже, практично неможливі.

Тоді який сенс порівнювати енергоефективність за одиницю часу машини, яка б використовувала мільярди років для вирішення проблеми, з машиною, яка б використовувала сорок дві хвилини?

Якщо обидві є реальними фізичними машинами, практично неможливо, щоб швидша машина також не була більш енергоефективною при вирішенні цієї конкретної проблеми. Врешті-решт, він лише за миг використовує вхідну потужність. І для будь-якої даної проблеми майже напевно ми зможемо заздалегідь визначити, чи квантовий комп’ютер буде експоненціально швидшим. Таким чином, ми використовували б лише одну, коли ми отримуємо величезну швидкість і згодом майже незмінно величезне поліпшення енергії.

Зважаючи на ризик втратити всіх інженерів, все-таки враховуйте це. У вас є лише класичний комп’ютер. Мільярди років означали б, що ви ніколи не отримаєте результатів. Отже, навіщо вам взагалі обчислювати?

Чи є відповідь, яку ви чекали б отримати мільярди років?

Практично всі проблеми, які вирішували б квантові комп’ютери, не були б вирішені без них. По суті, вся енергія могла б залишитися невикористаною, і кожен шматочок електроенергії, вкладений в квантовий комп’ютер, є новим вичерпанням глобальних ресурсів. Квантові обчислення представляють потенційно значне збільшення загального використання обчислень. Хоча вони можуть бути значно ефективнішими, вони додатково використовують енергію.

Чому ми обчислюємо?

І нарешті, ми дійшли до справжньої суті справи. Ми побачили, що більшість способів порівняння енергоефективності класичних та квантових комп’ютерів безглузді, оскільки ми фактично створюємо нове використання енергії для речей, які ми навіть раніше не намагалися. Однак збільшення споживання енергії слід розглядати не як порівняння, а як інвестицію. Інвестиції в що? Чому ми хочемо квантові комп’ютери?

Багато проблем, які в даний час неможливі і найкраще підходять для квантового комп’ютера, безпосередньо пов’язані з глобальною енергетичною системою. Найвідоміші приклади використання квантових комп’ютерів пов’язані з проблемою продавця та імітацією хімії.

Ефективне вирішення першого аналогічно надзвичайно широкому колу проблем оптимізації у виробництві, промисловості, телекомунікаціях та логістиці. Навіть фактична оптимізація маршрутів, якими рухаються всі реальні продавці у світі, може дати цілком значні переваги. У всьому світі більше чверті всієї енергії використовується на транспорт, тоді як загалом електроенергії було менше п’ятої. І оскільки обчислення складають максимум десять відсотків всього споживання електроенергії, ми можемо підрахувати, що транспорт використовує щось у тринадцять разів більше енергії, ніж обчислення. Поверніть це, і ми з’ясуємо, що рішення, яке може оптимізувати використання енергії в транспорті на 8%, компенсує все обчислювальне споживання енергії у світі. І якщо ви думаєте про кліматичні зміни, а не про енергію, транспорт майже виключно викопне паливо, тоді як електроенергія – ні.

Наукові обчислення мають відносно хорошу гнучкість попиту на електроенергію

Другий приклад моделювання хімії завжди чудово збільшує молекулу, яка називається нітрогеназа. Ця молекула використовується природою для фіксації азоту. Що потрібно зробити, щоб створити добриво. Без добрив неможливо прогодувати сім мільярдів людей. Ми, люди, використовуємо інший процес фіксації азоту, який складає до 3% від усього споживання енергії у світі. За допомогою квантових комп’ютерів ми розраховуємо зрозуміти шлях природи досить добре, щоб скопіювати його, відкривши двері для скорочення світового споживання енергії приблизно на ці 3% або приблизно в 1,5 рази більше суми, яку ми використовуємо для обчислень загалом.

У нас не закінчується енергія, а клімат.

Деякі інші способи оптимізації квантових обчислень дещо менш відомі та розвинені, але пристрої можуть бути надзвичайно корисними для оптимізації національних систем електроенергетики та навіть ширших енергетичних систем, моделювання окремої електроніки або всього клімату, що цікаво, оскільки у нас не закінчується енергія, а клімат, а на завершення все це рекурсивною іронією – квантові комп’ютери також, мабуть, будуть надзвичайно корисними у вирішенні питання створення надпровідності при кімнатній температурі.

Резюме

На закінчення можна сказати, що порівняння використання енергії квантового комп’ютера з класичним навряд чи має сенс. Квантові пристрої відкриють абсолютно нові способи обчислень, які надзвичайно ймовірно допоможуть нам вирішити проблеми, пов’язані з енергією, у масштабі, який трансформує нас як вид та планету, в якій ми мешкаємо.

Оскільки поточна щорічна енергія, витрачена на мережу біткойнів, може запустити згадану машину D-Wave протягом 2,8 мільярда годин, навіть якщо єдине, що ми досягаємо, це зламати біткойн, ми заощадимо достатньо енергії, щоб зробити магію масштабу планети за допомогою кванту комп’ютери.

Спочатку ця публікація була опублікована за адресою https://www.linkedin.com/pulse/impact-quantum-computing-global-energy-system-topias-uotila/.

Topias Uotila є засновником Unitary Zero Space. Unitary Zero Space є технологічна, незалежна квантова компанія та компанія, що надає квантові сервіси.  https://unitaryzerospace.com/.

Topias Uotila люб’язно дозволив нам перекласти і опублікувати цю статтю.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: