Duże komputery kwantowe mają potencjał rozwiązywania zadań niedostępnych nawet dla najszybszych klasycznych superkomputerów, lecz osiągnięcie tego celu może wymagać znacznie większego zużycia energii niż obecne maszyny klasy HPC. Obecne urządzenia kwantowe są stosunkowo małe — większość ma mniej niż tysiąc kubitów — i podatne na błędy z powodu kruchości kubitów. Aby mogły rozwiązywać praktyczne problemy, takie jak przyspieszenie odkrywania leków, badacze zgadzają się, że potrzebne będą radykalnie większe liczby kubitów oraz mechanizmy korekcji błędów, czyli tzw. fault-tolerant quantum computers (FTQC). Jednak przejście do tej skali pozostaje dużym wyzwaniem inżynieryjnym, także dlatego, że istnieje kilka konkurujących ze sobą podejść do budowy takich maszyn.
Jednym z mniej omawianych aspektów budowy użytecznych FTQC jest ich potencjalne zapotrzebowanie na energię. Na konferencji Q2B Silicon Valley w Santa Clara (9 grudnia) Olivier Ezratty z międzynarodowej inicjatywy Quantum Energy Initiative przedstawił wstępne oszacowania energetyczne przyszłych dużych komputerów kwantowych. Z jego analiz wynika, że kilka projektów FTQC — po skalowaniu do poziomu 4000 „logicznych”, czyli skorygowanych błędami kubitów — mogłoby wymagać więcej mocy niż obecnie największe superkomputery świata; w najgorszym scenariuszu zapotrzebowanie sięgałoby nawet około 200 megawatów.
Dla porównania, najszybszy obecnie superkomputer El Capitan w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii zużywa około 20 megawatów energii elektrycznej — co w przybliżeniu odpowiada trzykrotności zużycia energii miasta Livermore o populacji około 88 000 mieszkańców. Ezratty, opierając się na publicznie dostępnych danych, informacjach branżowych udostępnionych mu przez firmy oraz na modelach teoretycznych, ocenia, że spektrum możliwych zapotrzebowań energetycznych dla FTQC rozciąga się od około 100 kilowatów do 200 megawatów.
W praktyce wiele projektów plasuje się gdzie indziej w tym przedziale. Według Ezratty’ego trzy z opracowywanych obecnie architektur FTQC mogłyby ostatecznie wymagać mniej niż 1 megawata, co jest porównywalne z typowymi superkomputerami używanymi w ośrodkach badawczych. To zróżnicowanie ma istotne konsekwencje: jeśli dominowałyby energooszczędne rozwiązania, rynek kwantowy mógłby się szybciej rozwijać i stać się bardziej dostępny dla szerszego grona użytkowników.
Różnice w prognozach energetycznych wynikają głównie z różnych technologii budowy kubitów i sposobów ich kontroli. W niektórych podejściach zużycie prądu jest napędzane potrzebą utrzymywania elementów urządzenia w bardzo niskiej temperaturze — na przykład w przypadku kubitów opartych na świetle, gdzie źródła i detektory światła działają gorzej w wyższych temperaturach. Dla kubitów nadprzewodnikowych konieczne jest umieszczenie układów w olbrzymich chłodnicach kriogenicznych, natomiast systemy oparte na uwięzionych jonach lub ultrazimnych atomach wymagają znacznej mocy dla laserów i generatorów mikrofalowych sterujących kubitami.
Do tego dochodzą koszty klasycznej elektroniki sterującej i monitorującej kubity — a w FTQC, gdzie systemy muszą dodatkowo kierować korekcją błędów, wymagania te rosną znacząco. Oznacza to, że szczegóły algorytmów korekcji błędów i architektury sterowania bezpośrednio wpływają na całkowity ślad energetyczny urządzenia. Dodatkowo czas pracy maszyny ma znaczenie: oszczędności wynikające z użycia mniejszej liczby kubitów mogą zostać zniwelowane, jeśli będą one musiały działać dużo dłużej, by wykonać zadanie.
Przykłady szacunków firm pokazują skalę rozbieżności. Firma IBM, rozwijająca komputery kwantowe oparte na kubitach nadprzewodnikowych, spodziewa się, że jej duży FTQC będzie wymagał nieco poniżej 2–3 megawatów do pracy; według przedstawiciela IBM to tylko ułamek zapotrzebowania prognozowanego dla wielkoskalowych centrów danych AI i może być jeszcze niższy, jeśli FTQC zostanie zintegrowany z istniejącym superkomputerem. Z kolei zespół firmy QuEra, rozwijającej systemy oparte na ultrazimnych atomach, szacuje zapotrzebowanie swojej maszyny na około 100 kilowatów — na dolnym końcu przedstawionego przez Ezratty’ego zakresu. Nie wszystkie firmy udzieliły komentarzy do tych szacunków.
Aby lepiej porównać i kontrolować te czynniki, Ezratty wzywa do opracowania standardów i benchmarków do określania oraz raportowania śladu energetycznego komputerów kwantowych. To jedna z głównych inicjatyw Quantum Energy Initiative, a podobne projekty badawcze i polityczne są prowadzone zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Unii Europejskiej. Standaryzacja pomogłaby rozstrzygnąć, które architektury są praktyczne pod względem kosztów energetycznych i jakie rozwiązania technologiczne warto rozwijać.
Ezratty zastrzega, że jego prace są we wczesnym stadium i mają przede wszystkim sprowokować dalsze analizy oraz działania mające zmniejszyć energetyczny koszt przyszłych FTQC. Jak podkreśla, istnieje wiele technicznych opcji, które mogą sprzyjać redukcji zużycia energii, i to od decyzji projektowych branża będzie w dużej mierze zależeć w perspektywie wdrożeń produkcyjnych.
