量子計(jì)算機(jī)有望徹底改變我們的世界，不僅可以有效解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的棘手問(wèn)題，還可以開(kāi)發(fā)新的節(jié)能技術(shù)。這種雙管齊下的節(jié)能方法將重新定義高性能計(jì)算和節(jié)能前景，以提高計(jì)算效率，促進(jìn)創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)。

釋放新的節(jié)能技術(shù)。

憑借其卓越的計(jì)算能力，量子計(jì)算機(jī)可以加速新節(jié)能技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，它可以通過(guò)優(yōu)化物流路線來(lái)促進(jìn)更高效的電動(dòng)汽車電池的建設(shè)，更好地了解合成氨的生產(chǎn)工藝，節(jié)約能源，開(kāi)發(fā)更高效的太陽(yáng)能電池。

雖然充分發(fā)揮其潛力需要幾十年的時(shí)間，但最近的進(jìn)展表明，早期的機(jī)器(將在2020年代和2030年代初投入使用)可以為一些最具影響力的技術(shù)做出重大貢獻(xiàn)，以應(yīng)對(duì)全球變暖。

量子計(jì)算有潛力開(kāi)發(fā)綠色氨生產(chǎn)、綠色氫能和碳捕獲的新催化劑。它還討論了量子計(jì)算在新材料開(kāi)發(fā)、流體動(dòng)力學(xué)和物流優(yōu)化中的作用。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)能量密度更高、充電時(shí)間更快的電池，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(jì)算機(jī)可以優(yōu)化路線，減少車輛行駛距離，從而節(jié)約燃料。在可再生能源領(lǐng)域，它可以幫助設(shè)計(jì)更高效的太陽(yáng)能電池，提高能源轉(zhuǎn)換效率，使太陽(yáng)能成為更可行的化石燃料替代品。

能源效率量子計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看量子計(jì)算機(jī)本身的能源效率。世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，比如“Top500”，消耗了大量的能源，有的接近30兆瓦。

舉例來(lái)說(shuō)，F(xiàn)rontier超級(jí)計(jì)算機(jī)位于橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)行需要21.1兆瓦。這臺(tái)電腦的能源成本每年超過(guò)2300萬(wàn)美元。

與QuEra的256量子位Aquila中性原子量子計(jì)算機(jī)相比，QuEra是世界上最大的公共計(jì)算機(jī)之一，它的功耗不到7千瓦，不到這臺(tái)強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的0.05%。盡管QuEra計(jì)算機(jī)效率很高，但是IBM、Rigetti、Google和D-Wave等制造商的量子計(jì)算機(jī)也消耗了大約10-25kW。

超級(jí)計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是相互連接的CPU(中央處理單元)和GPU(圖形處理單元)網(wǎng)絡(luò)。超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和功耗與這些處理器的數(shù)量幾乎是線性的。從本質(zhì)上說(shuō)，加倍計(jì)算速度大約需要兩倍的處理器數(shù)量。

與此形成鮮明對(duì)比的是，由于量子現(xiàn)象的疊加和糾纏，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨著量子比特的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)支撐了量子計(jì)算機(jī)超越超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的潛力。

另外，計(jì)算能力的指數(shù)增長(zhǎng)不會(huì)轉(zhuǎn)化為類似的量子計(jì)算機(jī)功耗增長(zhǎng)。因此，即使提供相當(dāng)或更好的計(jì)算性能，量子計(jì)算機(jī)也有望保持比超級(jí)計(jì)算機(jī)更高的功率效率。

當(dāng)然，QuEra的7kW256量子位計(jì)算機(jī)無(wú)法與Frontier的計(jì)算能力相媲美，但是幾代之后，它就可以和Frontier在一些應(yīng)用上相媲美了。與大多數(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，一臺(tái)配有10,000個(gè)量子位的QuEra計(jì)算機(jī)，其功耗仍將低于10千瓦。這個(gè)估計(jì)考慮了保持額外10,000個(gè)原子(量子位)就位所需的最小額外能量，以及控制電子設(shè)備的略有增加。

10,000個(gè)量子位的10kW仍然不到最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)功耗的十分之一。假如這臺(tái)10,000個(gè)量子位計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行Frontier執(zhí)行5%的任務(wù)，那么每年將減少近10千兆瓦時(shí)的能耗，并節(jié)省超過(guò)100萬(wàn)美元。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)可以計(jì)算得更多，但是消耗得更少。截至2021年，全球數(shù)據(jù)中心的用電量預(yù)計(jì)在220-320太瓦時(shí)之間，約占全球最終電力需求的0.9-1.3%。政府可以鼓勵(lì)企業(yè)使用量子計(jì)算機(jī)作為其可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃的一部分，以幫助降低這一百分之一的能耗。

舉例來(lái)說(shuō)，政府可以為投資量子計(jì)算的企業(yè)提供稅收減免或資助量子計(jì)算研究，使企業(yè)更容易獲得量子計(jì)算，從而釋放能源創(chuàng)新，降低能耗。

總之，量子計(jì)算機(jī)不僅可以開(kāi)創(chuàng)解決計(jì)算問(wèn)題的新時(shí)代，還可以引領(lǐng)能源友好技術(shù)的發(fā)展，為高性能計(jì)算提供更可持續(xù)的方法。計(jì)算能力的提高——足以開(kāi)發(fā)新的材料和方法，而不是犧牲地球資源。這才是量子計(jì)算的真正力量。這種力量超越了包括可持續(xù)性和能源效率在內(nèi)的量子位和算法。

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標(biāo)簽：量子計(jì)算機(jī),節(jié)能技術(shù),再生能源,能源效率