Квантовый компьютер будущего может «съедать» больше электричества, чем суперкомпьютер: почему так выходит

Generated by DALL·E

Квантовые компьютеры давно называют технологией, которая однажды сможет решать задачи, не поддающиеся даже самым мощным суперкомпьютерам. Например, такие машины связывают с ускорением разработки новых лекарств или созданием материалов с заданными свойствами. Но вместе с этим всё чаще звучит вопрос: сколько энергии будет стоить работа подобных устройств, когда они станут по-настоящему полезными?

Сегодняшние квантовые компьютеры пока небольшие. В большинстве случаев речь идёт о системах с количеством кубитов (элементарных «строительных блоков») меньше тысячи. Кубиты крайне чувствительны к внешним воздействиям и часто дают ошибки. Поэтому современные квантовые машины ещё не могут стабильно выполнять сложные расчёты, которые интересны промышленности и бизнесу.

Чтобы квантовый компьютер приносил реальную пользу, он должен стать так называемым fault-tolerant, то есть устойчивым к ошибкам. Для этого используют квантовую коррекцию ошибок — специальную схему, в которой множество физических кубитов вместе работают как один логический кубит. Проблема в том, что такие схемы требуют очень больших ресурсов. По разным оценкам, для одного «полезного» логического кубита может понадобиться от тысяч до миллионов физических кубитов — в зависимости от качества элементов и выбранной архитектуры.

И вот здесь возникает неожиданный момент: масштабирование квантовых компьютеров может привести к очень разным энергетическим сценариям. Предварительные расчёты и инженерные обзоры показывают, что «энергетический след» будущих промышленных квантовых компьютеров будет сильно зависеть от того, какая технология лежит в основе устройства и как именно устроена система коррекции ошибок.

Главная причина — квантовый компьютер в реальности не ограничивается одним «чипом с кубитами». Вокруг него работает большая инфраструктура. В некоторых подходах кубиты нужно охлаждать до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Это значит, что потребуется мощная криогенная система, которая сама по себе потребляет электричество. Кроме того, для управления кубитами нужны генераторы сигналов, усилители, линии связи и приборы для считывания результатов. Чем больше кубитов, тем больше управляющих каналов и электроники.

Отдельная статья расходов — классические вычисления, которые обслуживают квантовую коррекцию ошибок. Fault-tolerant квантовый компьютер постоянно измеряет состояние системы, ищет ошибки и исправляет их. Часть этой работы выполняется не «квантово», а на обычных процессорах или ускорителях вроде GPU и FPGA. Это происходит в реальном времени, и при больших масштабах тоже становится заметным потребителем энергии.

На этом фоне и появляется тезис, который всё чаще обсуждают в научных публикациях: некоторые проекты крупных квантовых компьютеров могут потребовать больше мощности, чем самые сильные суперкомпьютеры. Для понимания масштаба сравнения стоит помнить, что современные лидеры среди суперкомпьютеров потребляют десятки мегаватт. Например, Frontier в США оценивается примерно в диапазоне 20–27 мегаватт в зависимости от режима работы, Aurora — около 39 мегаватт, а для El Capitan в источниках встречаются оценки порядка 30 мегаватт.

Важно, что речь не о том, что квантовые компьютеры «обязательно прожорливее». Скорее, вывод другой: в отличие от привычной бытовой электроники, у будущих квантовых систем нет одного типового профиля энергопотребления. Одни архитектуры могут оказаться относительно умеренными по затратам, другие — очень дорогими по энергии из-за охлаждения, управления и постоянной коррекции ошибок.

Поэтому сейчас в индустрии, научных центрах и государственных программах всё больше внимания уделяют не только скорости или количеству кубитов, но и тому, сколько будет стоить эксплуатация таких систем. Например, в рамках инициатив по оценке квантовых технологий важна идея «полезности на практике»: квантовый компьютер должен не просто решать сложную задачу, но делать это с разумными затратами на инфраструктуру и энергию.

Скорее всего, в ближайшие годы мы будем видеть не одну универсальную модель квантового компьютера, а целую линейку решений с разными плюсами и минусами — в том числе по энергопотреблению. И если квантовые вычисления действительно станут частью промышленности, то вопрос «сколько электричества это требует» окажется таким же важным, как и вопрос «что именно это умеет считать».