論文の概要: Energy-Consumption Advantage of Quantum Computation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2305.11212v3
- Date: Tue, 04 Feb 2025 09:19:14 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-05 14:54:34.985774
- Title: Energy-Consumption Advantage of Quantum Computation
- Title(参考訳): 量子計算のエネルギー消費性
- Authors: Florian Meier, Hayata Yamasaki,
- Abstract要約: 本稿では,量子計算と古典計算のエネルギー消費に関する一般的な枠組みを紹介する。
量子計算が古典計算よりも指数エネルギー消費の優位性を実現することを厳密に証明する。
- 参考スコア(独自算出の注目度): 1.918334858770111
- License:
- Abstract: Energy consumption in solving computational problems has been gaining growing attention as one of the key performance measures for computers. Quantum computation is known to offer advantages over classical computation in terms of various computational resources; however, proving its energy-consumption advantage has been challenging due to the lack of a theoretical foundation linking the physical concept of energy with the computer-scientific notion of complexity for quantum computation. To bridge this gap, we introduce a general framework for studying the energy consumption of quantum and classical computation, based on a computational model conventionally used for studying query complexity in computational complexity theory. Within this framework, we derive an upper bound for the achievable energy consumption of quantum computation, accounting for imperfections in implementation appearing in practice. As part of this analysis, we construct a protocol for Landauer erasure with finite precision in a finite number of steps, which constitutes a contribution of independent interest. Additionally, we develop techniques for proving a nonzero lower bound of energy consumption of classical computation, based on the energy-conservation law and Landauer's principle. Using these general bounds, we rigorously prove that quantum computation achieves an exponential energy-consumption advantage over classical computation for solving a paradigmatic computational problem -- Simon's problem. Furthermore, we propose explicit criteria for experimentally demonstrating this energy-consumption advantage of quantum computation, analogous to the experimental demonstrations of quantum computational supremacy. These results establish a foundational framework and techniques to explore the energy consumption of computation, opening an alternative way to study the advantages of quantum computation.
- Abstract(参考訳): 計算問題の解決におけるエネルギー消費は、コンピュータにとって重要なパフォーマンス指標の1つとして注目されている。
量子計算は、様々な計算資源の観点から古典的な計算よりも有利であることが知られているが、そのエネルギー消費の優位性を証明することは、エネルギーの物理的概念とコンピュータ科学的な計算複雑性の概念を結びつける理論的な基礎が欠如していることから困難である。
このギャップを埋めるために、計算複雑性理論における計算複雑性の研究に使用される計算モデルに基づいて、量子計算と古典計算のエネルギー消費を研究するための一般的な枠組みを導入する。
この枠組み内では、実現可能な量子計算エネルギー消費の上限が導出され、実際に現れる実装における不完全性が説明される。
この分析の一環として、有限ステップで有限精度でランダウアー消去のためのプロトコルを構築し、独立利害の寄与を構成する。
さらに、エネルギー保存則とランダウアーの原理に基づいて、古典計算のエネルギー消費の非ゼロ下限を証明する技術を開発した。
これらの一般境界を用いて、量子計算が古典的計算よりも指数関数的なエネルギー消費の優位性を達成し、パラダイム計算問題の解法であるシモンの問題を厳密に証明する。
さらに、この量子計算のエネルギー消費の利点を実験的に示すための明確な基準を提案し、これは量子計算の超越性の実験的な実証に類似している。
これらの結果は、計算のエネルギー消費を研究するための基礎的な枠組みと技術を確立し、量子計算の利点を研究する代替の方法を開く。
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