Uso de Energia em Data Centers Quânticos: Ampliando o Impacto da Arquitetura de Computadores, Desempenho de Qubits, Tamanho e Parâmetros Térmicos

À medida que os computadores quânticos aumentam de tamanho, a energia total usada por um data center quântico, incluindo o resfriamento, se tornará uma preocupação maior. Os requisitos de resfriamento dos computadores quânticos, que operam a temperaturas próximas ao zero absoluto, são determinados por parâmetros do sistema computacional, incluindo o número e o tipo de qubits físicos, a eficiência de embalagem do sistema e a divisão entre circuitos que operam em temperaturas criogênicas e aqueles que operam em temperatura ambiente. Quando combinados com parâmetros térmicos do sistema, como eficiência de resfriamento e transferência de calor do criostato, o uso total de energia pode ser determinado usando um modelo de energia de primeiros princípios. Esses modelos mostram que o resfriamento dos computadores quânticos difere de duas maneiras fundamentais em relação aos data centers convencionais: (1) a energia necessária para o resfriamento é muito maior do que a energia necessária para a computação, e (2) as cargas de resfriamento são sensíveis à arquitetura computacional. Os requisitos de temperatura para diferentes tipos de qubits podem alterar os requisitos de energia em ordens de magnitude. O uso de energia e o poder computacional, quantificado pelo volume quântico, estão correlacionados analiticamente. Abordagens são identificadas para minimizar o uso de energia em sistemas quânticos integrados em relação ao poder computacional. Projetar um computador quântico sustentável exigirá tanto um resfriamento eficiente quanto um design de sistema que minimize os requisitos de resfriamento.