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量子计算机的双重节能潜力

量子计算机有望彻底改变我们的世界，不仅可以有效解决传统计算机无法解决的棘手问题，而且还可以开发新的节能技术。这种双管齐下的节能方法——提高计算效率和促进创新节能技术，将重新定义高性能计算和节能的前景。释放新的节能技术量子计算机凭借其卓越的计算能力，可以加快新节能技术的发现和开发。例如，其可以促进创建更高效的电动汽车电池、更好地了解合成氨生产工艺、通过优化物流路线节省能源，以及开发更高效的太阳能电池。虽然其潜力的充分发挥还需要数十年的时间，但最近的进展表明，早期的机器（将在2020年代和2030年代初投入使用）可以为应对全球变暖的一些最具影响力的技术做出重大贡献。量子计算在开发绿色氨生产、绿色氢能和碳捕获的新型催化剂方面具有潜力。其还讨论了量子计算在新材料开发以及流体动力学和物流优化中的作用。在电动汽车领域，量子计算机可以帮助设计具有更高能量密度和更快充电时间的电池，从而显着提高这些车辆的续航里程和可用性。在物流领域，量子计算机可以优化路线，减少车辆行驶的距离，从而节省燃料。在可再生能源领域，其可以帮助设计更高效的太阳能电池，提高能源转换效率，并使太阳能成为化石燃料更可行的替代品。量子计算机的能源效率现在，来了解一下量子计算机本身的能源效率。世界上最强大的超级计算机，如“Top500”所列，消耗大量的能源，有些接近30兆瓦。例如，位于橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机需要21.1兆瓦才能运行。这台计算机的能源成本每年超过2300万美元。相比之下，来自世界上最大的公共计算机之一QuEra的256量子位Aquila中性原子量子计算机，其功耗不到7千瓦，不到这台强大的经典超级计算机功耗的0.05%。虽然QuEra计算机效率很高，但IBM、Rigetti、Google和D-Wave等制造商的量子计算机也消耗约10-25 kW。超级计算机本质上是互连的CPU（中央处理单元）和GPU（图形处理单元）网络。超级计算机的计算能力和功耗几乎与这些处理器的数量成线性关系。本质上，要使计算速度加倍，将需要大约两倍的处理器数量。与此形成鲜明对比的是，由于叠加和纠缠的量子现象，量子计算机的计算能力随着量子比特的数量呈指数级增长。这种指数级增长支撑了量子计算机超越超级计算机计算能力的潜力。此外，计算能力的指数增长并不会转化为量子计算机功耗的类似增长。因此，即使在提供相当或更好的计算性能的情况下，量子计算机也有望保持比超级计算机更高的功率效率。当然，QuEra的7kW 256量子位计算机尚无法与Frontier的计算能力相媲美，但在几代之后，其可以在某些应用中与Frontier相媲美。我们预计，一台配备了10,000个量子位的QuEra计算机——比大多数超级计算机更强大的量子计算机，其功耗仍将低于10千瓦。这一估计考虑了维持额外10,000个原子（量子位）就位所需的最小额外能量，以及控制电子设备的略微增加。10,000个量子位的10kW仍然不到最强大的经典超级计算机功耗的十分之一。如果这台10,000量子位计算机只能执行Frontier所执行任务的5%，那么每年将减少近10千兆瓦时的能源消耗，并节省超过100万美元。简而言之，量子计算机可以计算更多，但消耗更少。截至2021年，全球数据中心用电量预计在220-320太瓦时之间，约占全球最终电力需求的0.9-1.3%。为了帮助减少这百分之一的能源消耗，政府可以鼓励企业采用量子计算机作为其可持续发展计划的一部分。例如，政府可以为投资量子计算的企业提供税收减免或资助量子计算研究，使企业更容易获得量子计算，从而释放能源创新，同时降低能源消耗。总之，量子计算机不仅可以开创计算问题解决的新时代，还可以引领能源友好型技术的发展，并为高性能计算提供更可持续的方法。计算能力的提高——足以开发新材料和方法，并不以牺牲地球资源为代价。这是量子计算的真正力量。这种力量超越了量子位和算法，包括可持续性和能源效率。