Computació quàntica: Pioneres d'un camí sostenible per a la computació futura

La informàtica moderna ha transformat gairebé tots els aspectes de la vida moderna, des d'impulsar avenços en la sanitat i les finances fins a expandir la nostra comprensió de l'univers. A mesura que creix la nostra dependència de la intel·ligència artificial (IA) i la necessitat de resoldre problemes més complexos, també ho fa la demanda de potència computacional. Aquest avenç ha comportat un augment significatiu del consum d'energia i de l'impacte mediambiental, plantejant serioses preocupacions per al futur de la informàtica.

Històricament, el creixement de la potència de càlcul va seguir la Llei de Moore, que preveia que el nombre de transistors en un xip es duplicaria aproximadament cada dos anys, impulsant millores contínues en el processament. Tanmateix, a mesura que ens apropem als límits físics de la miniaturització dels transistors, els efectes quàntics com el soroll i la interferència comencen a afectar el rendiment dels xips tradicionals basats en silici.. (1)

Una alternativa a aquest repte ha estat construir ordinadors més grans i potents. No obstant això, els superordinadors i els centres de dades tenen limitacions de mida, cost i sostenibilitat. Per exemple, el Summit d'IBM consumeix 15 megawatts en el seu ús màxim, prou per alimentar més de 7.000 llars.. (2) Aquest consum d'energia no és escalable, especialment tenint en compte que es preveu que les demandes d'energia dels centres de dades es tripliquin de cara al 2030, consumint fins a 121 TWh d'electricitat dels EUA i requerint 1,45 T500 mil milions en infraestructures. (3) A més, les millores en l'eficiència de la CPU s'estan alentint, cosa que reforça la necessitat urgent de paradigms de computació més eficients energèticament.

En aquest moment crític, a Qilimanjaro creiem que la computació quàntica és la tecnologia revolucionària necessària per impulsar la propera era de la computació. Tal com va suggerir Richard Feynman, aprofitant principis de la mecànica quàntica com la superposició, l'efecte túnel i l'entrellaçament, podem alliberar una potència computacional sense precedents. Aquest canvi cap a la computació quàntica ofereix no només el potencial d'accelerar els avenços tecnològics, sinó també un enfocament més sostenible reduint el consum d'energia i mitigant l'impacte ambiental.

Crisi del consum energètic en informàtica d'alt rendiment

El creixement exponencial de la potència de càlcul ha estat acompanyat per un augment igualment dramàtic del consum d'energia. Prenguem com a exemple Frontier, el superordinador més ràpid del món, que consumeix al voltant de 504 megawatts-hora (MWh) per dia. L'entrenament de models d'IA també requereix recursos substancials, amb sistemes de refrigeració per a GPUs que només consumeixen megawatts d'energia i volums significatius d'aigua.

A mesura que els requisits energètics d'aquests sistemes s'escalen, veiem l'adopció de models de computació híbrida que integren unitats de processament quàntic (QPU) com a camí cap a una major eficiència. En fer-ho, podem mitigar alguns dels costos mediambientals i econòmics associats a la computació tradicional d'alt rendiment.

Computació quàntica: un camí cap a la innovació sostenible

La computació quàntica està progressant a través del desenvolupament de dispositius NISQ (Near Intermediate Scale Quantum), que són els primers prototips d'ordinadors quàntics disponibles avui dia. Tot i que aquests sistemes encara tenen una escala limitada i són propensos a errors, tenen un potencial immens per resoldre problemes complexos consumint molta menys energia. Mètriques de rendiment com el Quantum Volume d'IBM i el Cross-Entropy Benchmarking de Google se centren en la potència computacional d'aquests dispositius, ignorant sovint l'eficiència energètica. No obstant això, aquesta mètrica és imperativa, ja que determina directament el cost, un dels principals factors a tenir en compte en termes pràctics i en la implementació d'aquests sistemes a nivell industrial.

Malgrat les seves limitacions actuals, els dispositius NISQ poden reduir dràsticament el consum d'energia i les emissions de carboni en comparació amb els ordinadors clàssics. Els nostres sistemes quàntics, per exemple, consumeixen uns 18 kW, ordres de magnitud menys que els superordinadors com el Summit d'IBM. Tot i que la criogenia necessària per mantenir els sistemes quàntics consumeix una quantitat notable d'energia, el consum energètic global dels ordinadors quàntics continua sent significativament inferior en comparació amb els superordinadors tradicionals. A més, l'execució d'aquests sistemes introdueix una sobrecàrrega mínima en termes d'energia, i la seva escalabilitat és molt més eficient. En canvi, les demandes energètiques dels superordinadors augmenten entre un 20 i un 40 % anualment, la qual cosa fa que els sistemes quàntics siguin una solució molt més sostenible a mesura que augmenten les seves capacitats.

Benchmarking de l'Avantatge Energètic: El nostre enfocament

Liderem l'esforç per avaluar el consum energètic dels sistemes quàntics mitjançant anàlisis pràctiques a gran escala. A diferència de molts estudis que se centren en processos quàntics microscòpics, comparem l'ús energètic i les emissions de CO2 dels nostres processadors quàntics amb superordinadors tradicionals com el Summit d'IBM. Aquest enfocament comparatiu proporciona informació valuosa sobre els beneficis mediambientals de la computació quàntica.

Hem desenvolupat una configuració integral que rastreja el consum d'energia de tots els components dels nostres sistemes quàntics. La nostra arquitectura recopila i publica dades en directe, oferint als usuaris accés a mètriques de consum energètic en temps real. Les proves inicials mostren que la durada de l'algoritme, més que els polsos de control o la modulació, és el factor principal que influeix en l'ús energètic.

Per exemple, quan estan inactius, els nostres sistemes quàntics consumeixen uns 432 kWh per dia, 1.000 vegades menys energia que superordinadors com Summit. Aquesta diferència es fa encara més evident quan es consideren aplicacions com la simulació de sistemes quàntics. Amb l'estudi de Google, es va demostrar que el mostreig d'un sistema quàntic a Summit consumia set ordres de magnitud més energia que els processadors quàntics (4). Preveiem que, a mesura que avanci la tecnologia de refrigeració criogènica, aquestes demandes d'energia disminueixin encara més. Hem estimat que resoldre un problema en un dels nostres dispositius quàntics analògics costaria només $0.0016 d'energia, en contrast amb $3,466.73 per a la mateixa tasca a Summit, amb una reducció de CO2 corresponent d'aproximadament 51 tones mètriques.

Processament Quàntic Analògic vs. Digital: Eficiència Energètica

Un dels aspectes més convincents de la computació quàntica són les diferències en l'eficiència energètica entre els sistemes quàntics analògics i digitals. Els dispositius quàntics analògics són particularment efectius per resoldre problemes d'optimització combinatòria, com la planificació d'horaris o l'enrutament de vehicles, que són crucials per a indústries com la logística. Aquests dispositius codifiquen directament els problemes en els seus estats quàntics, utilitzant l'escalfament quàntic per arribar a solucions amb un ús mínim d'energia.

En canvi, els sistemes quàntics digitals sovint requereixen més recursos, incloent qubits de correcció d'errors i càlcul clàssic addicional. Els Algorismes Quàntics Variacionals (VQA), un enfocament comú per als dispositius NISQ, es basen en bucles d'optimització quàntico-clàssics híbrids, que poden augmentar tant el temps com l'energia necessaris per arribar a una solució (5). Tot i que aquests sistemes digitals són prometedors per a aplicacions més avançades, consumeixen més energia que els seus homòlegs analògics contrapartides.