量子計算機提供了開發更高效技術的方法，同時比傳統計算機使用更少的能量。

量子計算機有望徹底改變我們的世界，不僅可以有效解決傳統計算機無法解決的棘手問題，而且還可以開發新的節能技術。這種雙管齊下的節能方法——提高計算效率和促進創新節能技術，將重新定義高性能計算和節能的前景。

釋放新的節能技術

量子計算機憑借其卓越的計算能力，可以加快新節能技術的發現和開發。例如，其可以促進創建更高效的電動汽車電池、更好地了解合成氨生產工藝、通過優化物流路線節省能源，以及開發更高效的太陽能電池。

雖然其潛力的充分發揮還需要數十年的時間，但最近的進展表明，早期的機器(將在2020年代和2030年代初投入使用)可以為應對全球變暖的一些最具影響力的技術做出重大貢獻。

量子計算在開發綠色氨生產、綠色氫能和碳捕獲的新型催化劑方面具有潛力。其還討論了量子計算在新材料開發以及流體動力學和物流優化中的作用。

在電動汽車領域，量子計算機可以幫助設計具有更高能量密度和更快充電時間的電池，從而顯著提高這些車輛的續航里程和可用性。

在物流領域，量子計算機可以優化路線，減少車輛行駛的距離，從而節省燃料。在可再生能源領域，其可以幫助設計更高效的太陽能電池，提高能源轉換效率，并使太陽能成為化石燃料更可行的替代品。

量子計算機的能源效率

現在，來了解一下量子計算機本身的能源效率。世界上最強大的超級計算機，如“Top500”所列，消耗大量的能源，有些接近30兆瓦。

例如，位于橡樹嶺國家實驗室的Frontier超級計算機需要21.1兆瓦才能運行。這臺計算機的能源成本每年超過2300萬美元。

相比之下，來自世界上最大的公共計算機之一QuEra的256量子位Aquila中性原子量子計算機，其功耗不到7千瓦，不到這臺強大的經典超級計算機功耗的0.05%。雖然QuEra計算機效率很高，但IBM、Rigetti、Google和D-Wave等制造商的量子計算機也消耗約10-25 kW。

超級計算機本質上是互連的CPU(中央處理單元)和GPU(圖形處理單元)網絡。超級計算機的計算能力和功耗幾乎與這些處理器的數量成線性關系。本質上，要使計算速度加倍，將需要大約兩倍的處理器數量。

與此形成鮮明對比的是，由于疊加和糾纏的量子現象，量子計算機的計算能力隨著量子比特的數量呈指數級增長。這種指數級增長支撐了量子計算機超越超級計算機計算能力的潛力。

此外，計算能力的指數增長并不會轉化為量子計算機功耗的類似增長。因此，即使在提供相當或更好的計算性能的情況下，量子計算機也有望保持比超級計算機更高的功率效率。

當然，QuEra的7kW 256量子位計算機尚無法與Frontier的計算能力相媲美，但在幾代之后，其可以在某些應用中與Frontier相媲美。我們預計，一臺配備了10,000個量子位的QuEra計算機——比大多數超級計算機更強大的量子計算機，其功耗仍將低于10千瓦。這一估計考慮了維持額外10,000個原子(量子位)就位所需的最小額外能量，以及控制電子設備的略微增加。

10,000個量子位的10kW仍然不到最強大的經典超級計算機功耗的十分之一。如果這臺10,000量子位計算機只能執行Frontier所執行任務的5%，那么每年將減少近10千兆瓦時的能源消耗，并節省超過100萬美元。

簡而言之，量子計算機可以計算更多，但消耗更少。

截至2021年，全球數據中心用電量預計在220-320太瓦時之間，約占全球最終電力需求的0.9-1.3%。為了幫助減少這百分之一的能源消耗，政府可以鼓勵企業采用量子計算機作為其可持續發展計劃的一部分。

例如，政府可以為投資量子計算的企業提供稅收減免或資助量子計算研究，使企業更容易獲得量子計算，從而釋放能源創新，同時降低能源消耗。

總之，量子計算機不僅可以開創計算問題解決的新時代，還可以引領能源友好型技術的發展，并為高性能計算提供更可持續的方法。計算能力的提高——足以開發新材料和方法，并不以犧牲地球資源為代價。這是量子計算的真正力量。這種力量超越了量子位和算法，包括可持續性和能源效率。