内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

编译丨浪味仙 排版丨浪味仙

行业动向：2300字丨7分钟阅读

数据中心是全球电力的主要消耗者，其所占份额预计将在未来几年还会上升。根据全球咨询服务机构 DCD及国际能源署数据，2022 年数据中心的电力消耗约为 460 太瓦时（TWh），占全球用电量的约 2%。预测显示到 2026 年，数据中心耗电量预计将增加到 650 至 1,050 太瓦时，占全球电力需求的 3.5%以上。

受到人工智能和云服务快速普及的推动，日益增长的电力需求促使各大科技公司探索创新的能源解决方案。据华尔街日报报道，像亚马逊和谷歌这样的公司正在投资小型模块化核反应堆，这样可以既满足可持续发展的目标，又满足巨大的电力需求，因为先进的核技术能够提供可靠的低碳能源。

眼下，量子计算机正在成为解决能耗问题的新方案，提供了一种更可持续的方法。

计算领域日益增长

的能源危机

由经典计算机组成的数据中心的巨大能耗，主要源于其高功率处理器和冷却系统的运行。由于能源效率低下，全球数据中心都在努力应对不断上升的能耗成本，这些设施的碳排放也在持续扩大。能源效率已经成为企业和研究机构权衡其性能表现与环境责任的考虑重点。在业内，除了排名全球性能最强大超级计算机的 Top500 榜单外，还排名全球最节能超级计算机的 Green500 榜单。

全球 500 台最强大超级计算机的平均功耗为 2.1 兆瓦，而排名前 20 的最快超级计算机的平均功耗超过 11 兆瓦。相比之下，以 QuEra 的 256 量子比特中性原子量子计算机 Aquila 为例，其功耗不到 10 千瓦，仅为前者的千分之一；而国内已经完成两代量子计算机发布的量子计算领军企业玻色量子，此前在其发布会专访之际，量子前哨了解到其整机功耗更是不足 2 千瓦。

尽管当前的量子计算机只能解决一些特定问题，但随着量子计算机应用的进一步发展，未来有望为数据中心实现显著的净节能效果。

能源效率游戏

的规则改变者

量子计算机为何更高效？其效率的核心在于量子计算机能够利用叠加态和纠缠现象，以经典计算机无法实现的方式处理信息。经典计算机依赖数百万个处理器来模拟复杂系统或解决特定问题，而量子计算机只需利用相对较少的量子比特来表示和处理呈指数级增长的更大数据集。这一根本性差异使得量子系统能够在消耗极少电力的情况下，达到较经典计算系统相同或更好的结果。

量子计算机的能源优势在解决特定问题类别时尤为明显，如优化问题、加密任务和量子系统模拟等。经典超级计算机必须依赖蛮力计算——执行数十亿甚至数万亿次操作来穷举搜索解决方案——这会导致巨大的能源消耗。相比之下，使用量子算法，如用于因数分解的 Shor 算法或用于搜索的 Grover 算法，可以通过更高效的方式求解，减少计算步骤，从而降低能耗。对于同时需要性能和可持续发展的计算行业来说，量子计算将改变游戏规则。

量子计算机的硬件需求进一步凸显了其能效优势。尽管量子系统通常需要受控环境，例如超导量子计算机需要低温冷却，中性原子量子计算机需要先进的激光装置，但相比于经典超级中心所需的庞大服务器集群和冷却基础设施，这些设备所消耗的能量要少得多。例如，最大型经典计算数据中心会消耗数十兆瓦的电力来维持 CPU、GPU 和冷却系统。相比之下，同等算力的量子计算机更为紧凑，随着性能的提升，其节能效果将更为显著。

另一个关键因素是可扩展性。经典超级计算机通过增加更多的处理器、内存和互联来提高性能，这会导致功耗随算力直线上升，甚至是抛物线上升。而量子计算机可通过增加少量量子比特，就能实现计算能力的指数级增长，指数级地扩大计算求解空间，从而在仅增加少量能耗的情况下实现显著的性能提升。这种可扩展性使得量子系统在全球能源问题日益紧迫的背景下显得尤为具有吸引力。

推动可持续发展

除了降低自身的计算能耗，量子计算机还有助于在很多场景中的提高能源效率。例如，优化能源电网、改进电池材料，甚至减少制造过程中的浪费，这都是量子算法能够直接影响全球能源消耗的案例。

采用量子技术的计算中心将在计算能力和可持续性方面占据领先地位。通过从经典系统转向量子系统，这些中心可以在材料科学、物流和气候建模等领域实现突破，这些领域对全球能源消耗有着直接的影响。

综上，针对当今高性能计算中心（HPC）能耗问题，量子计算给出了颠覆性的解决方案。通过大幅降低能耗并优化计算任务，量子系统提供了一种可持续的替代方案，能够推动高性能计算进入下一个时代。然而，必须承认的是，当前的量子计算机仍处于早期阶段，在可扩展性、纠错和可有效解决的问题范围方面仍存在局限性。

随着技术的不断发展，量子计算机可以帮助现有的高性能计算中心降低能耗，同时满足其性能需求。通过配合部署量子计算机，这些中心将更好地实现其计算和环保目标。

Reference：

1、https://www.datacenterdynamics.com/en/news/global-data-center-electricity-use-to-double-by-2026-report/

2、https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks

3、https://www.wsj.com/business/energy-oil/big-tech-is-paving-the-way-for-a-nuclear-breakthrough-1b21c1a1?utm_source=chatgpt.com

4、https://www.hpcwire.com/2025/02/03/how-quantum-computing-could-reshape-energy-use-in-high-performance-computing/