东方时讯网量子计算机最近引起了相当大的兴趣，因为它们有可能在几个小时内解决问题，它们可能会在最好的超级计算机上占据宇宙的年龄(即数百亿年)。它们的实际应用是多方面的，从药物和材料设计到解决复杂的优化问题。因此，它们主要用于科学和工业研究。
传统上，“量子霸权”是从原始计算能力的角度寻求的：我们想要(更快)计算。
然而，它的能源消耗问题现在也值得研究，目前的超级计算机有时消耗的电力与一个小镇一样多(这实际上可能会限制其计算能力的增长)。最终，信息技术占2020年全球电力消耗的11%。
为什么要关注量子计算机的能耗?
由于量子计算机可以在几个小时内解决超级计算机可能需要数百亿年的问题，因此很自然地预计它会消耗更少的能量。然而，制造如此强大的量子计算机将需要我们解决许多科学和技术挑战，可能需要一到几十年的研究。
一个更温和的目标是创建功能更弱的量子计算机，能够在与超级计算机相当的时间内解决计算，但使用的能量要少得多。
量子计算的这种潜在的能量优势已经被讨论过了。谷歌的Sycamore量子处理器消耗26千瓦的电能，远低于超级计算机，并在几秒钟内运行测试量子算法。在实验之后，科学家们提出了经典算法来模拟量子算法。经典算法的第一个提议需要更多的能量——这似乎证明了量子计算的能量优势，但很快其他提议紧随其后，它们的能源效率要高得多。
因此，能量优势的问题仍然值得商榷，并且是一个开放的研究课题，特别是因为Sycamore执行的量子算法迄今为止还没有确定的“有用”应用。
叠加：量子计算核心的脆弱现象
要了解量子计算机是否有望提供能源优势，有必要了解它们运行的基本规律。
量子计算机操纵称为量子位(用于量子位)的物理系统来执行计算。一个量子位可以取两个值：0(最小能量的“基态”)和1(最大能量的“激发态”)。它还可以占据0和1的“叠加”。我们如何解释叠加仍然是激烈的哲学争论的主题，但是，简单地说，这意味着量子比特可以“同时”处于状态0和状态1某些相关的“概率幅度”。
多亏了这些概率，我们可以说它实现了“一次”对多个数字(在本例中为0和1)执行计算的算法，从而大大简化了量子计算机的原理。当量子位的数量增加时，这一优势变得明显：叠加的300个量子位能够同时表示2的300个状态的幂。例如，这大约是可观测宇宙中原子的数量——因此在超级计算机上同时表示这么多状态是完全不现实的。
然而，量子理论的基础告诉我们，如果这些概率幅度的值被另一个物理系统“测量”，那么叠加就会被破坏：量子比特松弛到1或0的值，从而在计算中引入错误.
这种破坏的一个具体例子是当量子比特吸收一个光子(一种光粒子，是一个小能量包)。如果是这种情况，那是因为它没有处于最大能量状态(因为它可以吸收能量，即光子的能量)。光子，因此通过它，量子比特的“环境”间接地“找到”了振幅的值，这破坏了叠加。这称为“退相干”。
一般来说，挑战在于确保量子位充分隔离以避免任何信息泄漏：我们不能让光子或其他粒子干扰我们的量子位。这是一个挑战，因为量子比特也必须是可控的：它们不能完全隔离。
这种缺乏保护是基于量子位的计算中错误的主要来源。例如，最成熟的量子比特技术之一每1000次操作就会出现一个错误。当您考虑到典型的量子算法需要10¹³次操作时，您会发现这太多了。
保持叠加有能量成本
计算一台量子计算机的能源成本将主要来自这种“保护量子数据”的需求。例如，通常需要将量子位环境设置为接近绝对零(-273°C)以确保没有光子填充此环境，从而避免上述问题。这是一个非常耗能的过程。
其他一些技术，例如量子纠错，也保留了量子信息，并且可以提高操作的保真度。然而，除了它们提出的挑战之外，这些技术还产生非常高的能源成本，因为它们涉及错误检测算法，或用于错误检测的额外量子比特等。
简而言之，我们希望在量子位上执行的操作越准确，它就越需要受到保护，我们为此花费的能量就越多。量子计算中的“错误率”和“能量”之间有着非常紧密的联系。准确地理解这个链接可以允许设计一个非常节能的计算机。
能量量子优势可能吗?
一些理论研究已经能够计算出实现量子计算机所需的能量成本，但是在非优化状态下，特别是没有利用错误率和能量之间的联系，并且通常使用计算机的简化模型。
利用此链接可以实现强大的优化，从而降低算法的能源成本。在实践中，这需要跨学科的方法，包括理解引起退相干的基本现象、量子纠错算法和代码的建模以及控制量子比特所需的整个“工程”部分。然后可以计算解决不同问题所需的最小能量成本，同时针对被认为是“可接受”的算法的错误概率。
正如我们所看到的，对于质量优异的量子比特(即今天在实践中仍然遥不可及的质量)，在某些任务上，量子计算机可以花费比当前最好的超级计算机少一百倍的能量来完成类似的任务。计算时间(在两者都能够在合理的时间内解决任务的意义上是可比较的)。这种100倍的能量增益也具有指示性：人们可以想象通过执行额外的优化来节省更多的能量。
这是因为量子计算机使用与量子计算机根本不同的过程进行计算：前者操纵量子比特，后者操纵比特。因此，对于相同的任务甚至相同的计算时间，操作的数量可能会大不相同。此外，在量子计算机中执行的操作将涉及与在超级计算机上实现完全不同的物理过程。这两句话合在一起意味着，从概念上讲，即使在相同的计算时间下，即使量子逻辑运算比经典逻辑运算消耗更多的能量，量子逻辑运算的数量越少可能意味着量子计算机最终的能量会多得多-高效的。
当然，这个例子来自理论计算，有时基于高度乐观的假设。然而，它似乎确实表明，量子计算的主要优势之一很可能是在计算之前就具有能量。