一部の量子コンピューターはスーパーコンピューターよりも多くの電力を必要とする可能性があります

大型の量子コンピューターは、従来の最高のスーパーコンピューターでも不可能だった問題を解決できる可能性があります。しかし、そのためには、それらのスーパーコンピューターよりもはるかに多くのエネルギーが必要なものもあるかもしれません。

既存の量子コンピューターは比較的小型で、ほとんどの量子ビットと呼ばれる構成要素が 1,000 未満です。また、量子ビットは非常に壊れやすいため、動作中にエラーが発生する傾向があります。このため、これらのコンピューターは、創薬支援など、コンピューターが得意と予測されていた経済的および産業的に関連する問題を解決できなくなります。研究者らは、本当に有用な量子コンピューターには、根本的により大きな量子ビット数とエラー訂正能力が必要であり、フォールトトレラントな量子コンピューター (FTQC) にする必要があるということにほぼ同意しています。しかし、競合する設計がいくつかあることもあり、そこに到達するのは依然としてエンジニアリング上の困難な課題です。

国際機関である量子エネルギーイニシアチブ（QEI）のオリビエ・エズラッティ氏は、実用規模のFTQCを構築する際に見落とされている懸念の1つは、潜在的なエネルギー消費であると述べています。同氏は12月9日にカリフォルニア州サンタクララで開催されたQ2Bシリコンバレーカンファレンスで、その暫定的な推定値を提示した。驚くべきことに、いくつかの FTQC 設計は世界最大のスーパーコンピューターのエネルギー使用量を上回りました。

カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所にある世界最速のスーパーコンピュータ「El Capitan」は約20メガワットの電力を必要とするが、これは近隣の人口8万8000人の都市リバモアのエネルギー消費量の約3倍に相当する。 Ezratty の見積もりでは、4000 論理量子ビット、つまり誤り訂正量子ビットまでスケールアップした FTQC の 2 つの設計では、さらに多くの量子ビットが必要になると考えられます。その中で最も電力を必要とするものは、200 メガワットもの電力を必要とする可能性があります。

エズラッティ氏は、公開データ、量子コンピューティング企業からの独自情報、理論モデルに基づいた推定に基づいて、将来の FTQC で起こり得るエネルギーフットプリントの範囲を 100 キロワットから 200 メガワットまでの広範囲に特定しました。注目すべきことに、エズラッティ氏の試算では、現在開発中の 3 つの FTQC 設計で最終的に必要な電力は 1 メガワット未満となり、これは研究施設で使用される一般的なスーパーコンピューターに匹敵します。同氏の見解では、このスペクトルは業界の進化に影響を与える可能性があり、たとえば、消費電力の少ない設計が主流になれば、量子コンピューティング市場がさらに拡大する可能性があるという。

予測されるエネルギー消費量の大きな違いは、主に、量子コンピューター企業が量子ビットを構築して使用する競合する方法の多様性を反映しています。場合によっては、デバイスのさまざまな部分を低温に保つ必要性によってエネルギー消費が増加します。たとえば、一部の光ベースの量子ビットでは、光源と検出器が暖かいとうまく機能しません。 Ezratty 氏は、これは特に電力を消費する可能性があると述べています。超伝導回路で作られた量子ビットなどの他のケースでは、チップ全体を巨大な冷蔵庫に入れる必要がある一方、トラップされたイオンや超低温原子に基づく量子コンピュータは、量子ビットを制御するレーザーやマイクロ波にエネルギーを必要とします。

超電導量子コンピュータを製造するIBMのオリバー・ダイヤル氏は、同社の大規模FTQCの動作には2～3メガワット弱の電力が必要になると予想していると述べた。 Dial 氏は、これはハイパースケール AI データセンターに必要と予測される量のほんの一部にすぎず、FTQC が既存のスーパーコンピューターと統合されていればさらに低くなる可能性があると述べています。超低温原子量子コンピューティング会社 QuEra のチームは、同社の FTQC には約 100 キロワットが必要と推定しており、これはエズラッティのスペクトルの下限に該当します。

光ベースの量子コンピューターを開発するザナドゥと、量子コンピューターが超伝導量子ビットに基づいているグーグル量子AIはコメントを控えた。 PsiQuantumも光から量子ビットを作成しますが、反応しませんでした。 新しい科学者さんからのコメントリクエストです。

エズラッティ氏は、量子ビットの指示と監視に使用される従来のエレクトロニクスに関連するコストも多く、特に量子ビットが自身のエラーを捕捉して修正するために追加の指示を受け取る FTQC に関しては、多くのコストがかかると述べています。これは、エラー訂正アルゴリズムの詳細もデバイスのエネルギーフットプリントに寄与することを意味するため、状況をさらに複雑にします。さらに、量子コンピューターが操作を完了するまでにどれくらいの時間実行する必要があるかという問題もあります。より長い時間実行する必要がある場合、量子ビットの使用量を減らして得られるエネルギーの節約が相殺される可能性があるためです。

これらすべての要因（量子ビット作成の基本的なエネルギーコスト、量子ビットの冷却と制御のコスト、量子ソフトウェアの実行コストと時間）を解明するために、業界はマシンのエネルギーフットプリントを決定し報告するための標準とベンチマークを開発する必要がある、とエズラッティ氏は言う。これは QEI の使命の一部です。同氏によると、米国と欧州連合の両方で関連プロジェクトが進行中だという。

量子コンピューティング業界全体がまだ発展途上であるのと同様に、エズラッティ氏は、自分の研究は初期段階にあり、FTQC のエネルギー消費をより深く理解し、その理解を活用してエネルギー消費量を削減する取り組みにつながるはずだと語った。 「エネルギー消費量の削減に有利に働く可能性のある技術的なオプションは非常にたくさんあります。」