Yuval Boger, CMO en la firma de computación cuántica QuEra
Las computadoras cuánticas están preparadas para revolucionar nuestro mundo, no solo resolviendo eficientemente problemas difíciles que las computadoras clásicas no pueden, sino también permitiendo el desarrollo de nuevas tecnologías de ahorro de energía. Este enfoque dual para el ahorro de energía, una mayor eficiencia computacional y la facilitación de tecnologías innovadoras de ahorro de energía, está configurado para redefinir el panorama de la computación de alto rendimiento y la conservación de la energía.
Liberando nuevas tecnologías de ahorro de energía
Las computadoras cuánticas, con sus capacidades computacionales superiores, pueden acelerar el descubrimiento y desarrollo de nuevas tecnologías de ahorro de energía. Por ejemplo, podrían conducir a la creación de baterías de vehículos eléctricos más eficientes, una mejor comprensión del proceso Haber Bosch para la producción de amoníaco, ahorros de energía a través de rutas optimizadas en logística y el desarrollo de células solares más eficientes.
Si bien todavía faltan décadas para su pleno potencial, los avances recientes indican que las máquinas de primera generación, las que estarán disponibles en la década de 2020 y principios de la de 2030, podrían contribuir sustancialmente a algunas de las tecnologías de mayor impacto para combatir el calentamiento global.
La computación cuántica tiene potencial en el desarrollo de nuevos catalizadores para la producción de amoníaco verde, energía de hidrógeno verde y captura de carbono. También analiza el papel de la computación cuántica en el desarrollo de nuevos materiales y la optimización de la dinámica de fluidos y la logística.
En el ámbito de los vehículos eléctricos, las computadoras cuánticas podrían ayudar a diseñar baterías con densidades de energía más altas y tiempos de carga más rápidos, mejorando significativamente el alcance y la usabilidad de estos vehículos. Del mismo modo, una mejor comprensión del proceso Haber Bosch, que es responsable de una parte significativa del consumo mundial de gas natural, podría conducir a métodos de producción de amoníaco más eficientes desde el punto de vista energético.
En logística, las computadoras cuánticas podrían optimizar el enrutamiento, reduciendo la distancia recorrida por los vehículos y, por lo tanto, ahorrando combustible. En el campo de las energías renovables, podrían ayudar a diseñar celdas solares más eficientes, aumentando la eficiencia de conversión de energía y haciendo de la energía solar una alternativa más viable a los combustibles fósiles.
La eficiencia energética de las computadoras cuánticas
Ahora, consideremos la eficiencia energética de las propias computadoras cuánticas. Las supercomputadoras más poderosas del mundo, que figuran en el "Top500", consumen enormes cantidades de energía, algunas de las cuales se acercan a los 30 megavatios.
Por ejemplo, la supercomputadora Frontier, que reside en Oak Ridge National Labs, requiere 21,1 megavatios para funcionar. El costo de energía para esta computadora (basado en el informe de la Administración de Información de Energía de EE.UU sobre el costo promedio de electricidad de los clientes comerciales) es de más de 23 millones de dólares por año.
Por el contrario, la computadora cuántica de átomos neutros Aquila de 256 qubits de QuEra, una de las computadoras de acceso público más grandes del mundo, consume menos de 7 KW, que es menos del 0,05 por ciento del consumo de esta poderosa supercomputadora clásica. Si bien la computadora QuEra es eficiente, las computadoras cuánticas de fabricantes como IBM, Rigetti, Google y D-Wave también consumen aproximadamente entre 10 y 25 kW.
Las supercomputadoras son esencialmente una red de CPU (unidades centrales de procesamiento) y GPU (unidades de procesamiento de gráficos) interconectadas. La destreza computacional y el consumo de energía de una supercomputadora escalan casi linealmente con la cantidad de estos procesadores. Esencialmente, para duplicar la velocidad computacional, necesitaría aproximadamente el doble de procesadores.
En marcado contraste, la capacidad computacional de una computadora cuántica aumenta exponencialmente con el número de qubits, gracias a los fenómenos cuánticos de superposición y entrelazamiento. Este crecimiento exponencial sustenta el potencial de las computadoras cuánticas para superar el poder computacional de las supercomputadoras.
Además, este crecimiento exponencial en el poder computacional no se traduce en un crecimiento similar en el consumo de energía para las computadoras cuánticas. Como resultado, se espera que las computadoras cuánticas mantengan una eficiencia energética significativamente mayor en comparación con sus contrapartes de supercomputadoras, incluso cuando brinden un rendimiento computacional comparable o superior.
Por supuesto, la computadora de 7kW y 256 qubits de QuEra aún no puede igualar la destreza computacional de Frontier, pero en un par de generaciones, quizás cuando alcance los 10.000 qubits, podría igualar a Frontier en algunas aplicaciones. Proyectamos que una computadora QuEra equipada con 10.000 qubits, una computadora cuántica más poderosa que la mayoría de las supercomputadoras, aún consumiría menos de 10 KW de energía. Esta estimación tiene en cuenta la energía adicional mínima requerida para mantener los 10.000 átomos adicionales (qubits) en posición, así como un ligero aumento en la electrónica de control.
Estos 10kW para 10.000 qubits aún serían menos de una décima parte del consumo de energía de las supercomputadoras clásicas más poderosas. Si esa computadora de 10.000 qubit pudiera realizar solo el 5 por ciento de las tareas que realiza Frontier, reduciría el consumo de energía en casi 10 gigavatios-hora por año y ahorraría más de 1 millón de dólares.
En resumen, las computadoras cuánticas pueden calcular más y consumir menos.
A partir de 2021, el uso de electricidad del centro de datos global se estimó entre 220 y 320 TWh, lo que representó aproximadamente el 0,9-1,3 por ciento de la demanda global de electricidad final. Para ayudar a reducir este uno por ciento del consumo de energía, los gobiernos podrían alentar a las empresas a adoptar computadoras cuánticas como parte de sus programas de sostenibilidad.
Por ejemplo, el gobierno podría ofrecer exenciones fiscales a las empresas que inviertan en computación cuántica o financien la investigación de la computación cuántica para que sea más accesible para las empresas, desencadenando la innovación energética y, al mismo tiempo, reduciendo el consumo de energía.
En conclusión, las computadoras cuánticas podrían marcar el comienzo no solo de una nueva era de resolución de problemas computacionales, sino también de desarrollos tecnológicos amigables con la energía y un enfoque más sostenible para la computación de alto rendimiento. El aumento de la capacidad informática, suficiente para desarrollar nuevos materiales y métodos, no se produce a expensas de los recursos de nuestro planeta. Este es el verdadero poder de la computación cuántica, un poder que va más allá de los qubits y los algoritmos para incluir la sostenibilidad y la eficiencia energética.