要应对气候变化，就要实现以下人类技能的真正融合：实现净零排放概念创新，使脱碳工业具有独创性，以及成功建设智慧城市。必须以前所未有的方式将世界各国的力量和智慧凝聚在一起，防止地球“过热”造成灾难性影响。

如果我们的努力以“量子计算”形式得到一个新盟友的支持，我们就能更轻松地应对挑战，进而更轻松地实现目标。

我们来了解一下该解决方案。

您可能遇到过“量子计算”这个词，或许只是匆匆一瞥，并没有太在意。除非您从事该领域的工作，否则到目前为止，它可能对您的日常生活几乎没什么影响。但如果一切按计划进行，这种情况可能会改变。

将量子计算视为一种多学科技术比较恰当，它结合了尖端的数学、物理学和计算机科学，设计出的处理器在功率和速度方面均达到前所未有的水平。

该技术利用了所谓的量子机械效应（例如，叠加和纠缠——亚原子级别特有的物理特性），能够比传统（微）晶体管计算机更快地解答问题。

这种速度正是挖掘量子潜力的关键。据估计，量子技术比当今功能最强大的超级计算机快 1.58 亿倍，能够在 200 秒内完成现代超级计算机需要 10,000 多年才能完成的一些工作。[1]

几秒内即可完成超级计算机 10,000 年才能完成的总数计算

那么，它的工作原理是什么？ 传统计算依赖于在给定查询中表示 1 或 0（是或否；开或关）的二进制晶体管。相比之下，量子计算利用的是量子位或“量子比特”的幂指数，后者可以同时表示 1 和 0 两种状态，即叠加状态。

比如，由于量子计算机允许存在多个状态，因此只有 30 个量子位的量子计算机能够每秒执行 100 亿次浮点运算。[2]想一想复杂且成本高昂的研究领域（例如，空气动力学建模、药物开发、供应链优化、基因疗法）有可能实现的飞跃。

量子处理器可以通过测量紧密相连系统内的相关粒子来对粒子做一些假设，这个功能称为纠缠。例如，一个量子位顺时针旋转时，相对应的量子位一定会逆时针旋转。测量量子比特的量子态会导致其波函数塌缩，将其状态与其他量子比特（不考虑距离）相关联，而且几乎立即就能解决极其复杂的求和问题。这样，量子计算的能力会随着量子比特数量的增加呈指数级增长。

“量子计算”这个词本身有一点误导性，会让人想到嗡嗡响的传统台式电脑和落满灰尘的键盘等场景。实际上，量子计算和传统计算是两个平行的世界，它们有一些相似之处，但也有很多不同之处。其中最重要的三个不同之处是：

  • 编程语言: 量子计算没有自己的编程代码，需要开发和执行非常特殊的算法。
  • 功能: 量子计算机不像如今的个人计算机 (PC) 那样适合广泛的日常应用。它非常复杂，只能用于企业以及科学技术领域。
  • 架构: 量子计算机的架构比传统计算机更简单，并且它没有存储器或处理器。它的启动设备仅由一组量子位组成。

随着量子计算的发展，它将在三大广泛的领域得到革命性的应用，这三大领域分别是优化、机器学习和模拟物理或分子化学系统，结果显示，在这些领域，它的性能远远超出了当今最快、最强大的“超级计算机”。[3]

  • 优化：业内改进通常难以预测且试错成本高昂，但量子计算可以同时处理多个变量，实现意想不到的高效率：降低材料成本，简化物流，提升产品性能，并最终提高投资回报率。量子计算能够以最小的投入和风险做到精益求精。
  • 模拟：传统计算机无法高效或准确地计算两个复杂属性之间交互的质量。通过模拟材料并运行近乎无限的迭代，量子计算能够使之前耗时的手动操作流程实现自动化。了解分子之间的相互作用，有助于开发新品种的药物、材料和化学品。
  • 机器学习：量子增强机器学习（在量子计算机上分析典型数据的算法）能够为那些已经熟悉传统机器学习的企业和行业带来额外价值。新量子工具明显具有更高的计算速度和更强的数据存储能力。

既然量子计算机有这么多巨大优势，那为什么我们还没有弃用采用微型芯片、速度缓慢的计算机而改用量子计算机呢？ 毕竟，关于量子计算的突破性发展几乎每周都有报道；该行业就像是磁铁一样吸引着优秀的年轻人。目前，世界各地对量子初创企业的投资都热情高涨。为什么该技术的应用被推迟？

尽管人们普遍对该技术持积极乐观态度，但该技术仍处于发展阶段。现代 NISQ（嘈杂中型量子）设备在量子比特的质量和稳定性方面容易出错，这种状态称为非相干状态，这会限制其性能。

不过，随着该技术的不断发展，真正的量子革命可能会比我们想象的更早发生。目前的趋势表明，第一代容错量子计算机（逻辑误差率处于任意低水平的量子计算机）可能会在 21 世纪 20 年代末进入市场。届时，其应对气候变化的潜力将会更加明晰。

通过碳捕获技术激励工业发展

使用当今的技术几乎无法实现净零排放目标。遗憾的是，即使完全遵守在 2021 年联合国气候变化大会 (COP26) 上做出的承诺，到 2050 年全球气温仍会上升 1.7°C 至 1.8°C，远超为避免气候变化的最严重影响而设定的 1.5°C 温升限制。[4]

而量子计算的巨大潜力有可能会颠覆这个不容乐观的预测。据估计，量子计算能够推动相关技术的发展，到 2035 年，全球每年可减少 70 多亿吨碳排放，使 1.5°C 温升限制再次成为可行目标。

量子计算在这一方面能够做出重大贡献；对于最需要扩大规模的技术，它能够推动其传播，而对于一度被认为不受干预影响的排放密集型产业，它能够帮助其实现环保。随着量子计算愿景的逐步实现，未来几年，我们具体会看到哪些改变呢？

电气化：耐用的大容量蓄电池对于可变能源（如风能和太阳能）的电网规模存储至关重要。然而，蓄电池能量密度提升速度急剧下降，密度提升率从 2011 年至 2016 年的 50% 下降到 2020 年至 2025 年的 17% 左右。量子计算能够对电解质复合物的形成进行更详细的分析，指出阴极/阳极的替代材料，并且可以不需要电池隔膜。

一项研究表明，到 2050 年，若电网规模存储成本减半，整个欧洲的太阳能使用量会增加 60%。[5]与此同时，能量密度提升 50% 的蓄电池将会加速该领域的发展，因为它们广泛应用于重型车辆。

农业：低甲烷饲料添加剂可以将牛的二氧化碳排放量（目前每年的排放量是 79 亿吨）减少 90%。借助量子计算，可以开发一种抗甲烷疫苗，帮助抗体在恶劣的牛肠道环境中附着到合适的微生物上。

碳捕获：原则上，从空气中提取和捕获碳是行得通的，但目前来看成本过高。量子计算能够大幅降低“点源捕获”和“直接空气捕获”技术的成本。

根据点源捕获法，二氧化碳直接从工业炉等强污染源中捕获。量子计算能够为工艺中不可或缺的多相溶剂构建最佳分子结构模型，从而提高从许多来源捕获二氧化碳的效率，并能将成本削减一半。

根据直接空气捕获法，可直接从大气中捕获二氧化碳，但这种系统极其昂贵且需要大量能源。借助量子计算，可以设计新型吸附剂（如金属有机框架 (MOF)），后者能比当今的同类技术更有效地处理二氧化碳。

动力和燃料：目前，晶体硅太阳能电池的工作效率约为 20%。量子计算有望使基于钙钛矿晶体结构的太阳能电池效率达到 40%。钙钛矿的耐用性差，其中一些化合物有毒。量子计算机可使用不同的碱原子来模拟多种排列的钙钛矿结构，并据此设计出无毒的持久解决方案，可以将太阳能成本减半。

氨生产成本高昂且耗费能源，目前仅占世界能源消耗总量的 2%。固氮酶生物电催化技术让人们可以大致了解如何以当前价格的一小部分清洁地生产氨，这引起了人们的好奇心。该工艺通过人工复制“固氮”，使植物直接吸收空气中的氮气并将其转化为氨。氮酶可在室温和 1 巴压力下发挥作用，这超过了当前 500°C 哈伯法的效率。该技术尚未准备好大规模推广，但量子计算有望迅速解决酶稳定性和低产出率问题。将成本降低 67% 左右，不仅能够减轻化肥工业的二氧化碳负担，而且还能提前十年使氨作为航运燃料被广泛应用。[6]

成本高昂也一直是制约绿色氢气制造的因素之一，但改进电解工艺最终会使其商业价格达到与天然气相同的水平。对于当前用于“分解”水的聚合物电解质膜 (PEM) 电解槽而言，由于膜和催化剂之间的界面较差，从而导致效率比较低且耐用性差。量子计算可模拟不同的能量状态来能够提高效率，并且还能识别化学相容性更强的催化剂和膜。一组研究人员曾使用集群扩展技术，分析了数百万亿种材料设计。结果，该团队发现了一些未知材料，其中包括锑、锰、氧、钌和铬，其合成材料的催化活性比目前市场上的材料高出八倍。[7]绿氢生产效率达到 100%，生产成本降低三分之一。

工业：建筑与对抗全球变暖的“战争”一样重要，不能一夜之间停下来。全球每年消耗超过 40 亿吨水泥。水泥是混凝土中重要的粘结剂，可用于建造房屋、工厂、道路和医院。

遗憾的是，生产水泥每年会排放大约 25 亿吨二氧化碳，约占全球二氧化碳总排放量的 8%。但目前没有价格实惠的水泥替代品。量子计算可以消除昂贵的研究费用，模拟不同的材料组合，协助设计出耐用而无污染的替代产品。据估计，到 2035 年，这将使每年减排高达 10 亿吨二氧化碳。

即使预见到所有这些结果，量子计算的重大突破可能也会让我们所有人都感到惊讶。它能解锁的技术可能根本不在我们的认知范围内。量子力学的运作尺度可能无限小，但它会给全球带来影响。

如何将量子变成一种有益的力量

与人工智能一样，如果使用得当，量子计算可能会有助于实现联合国的多个可持续发展目标。零饥饿；良好健康与福祉；可负担的清洁能源；工业、创新和基础设施以及可持续城市和社区等所有目标的实现都会受益于量子技术。

这些都是重要目标，因此我们需要找到明智的解决方案来解决量子计算目前面临的一些障碍。

比如，大多数量子计算机目前都需要在 -273°C 的低温冰箱中运行，由于它有这种极端冷却要求，因此仍然比标准计算机消耗的电能更多。[8]目前正在开发的量子计算机可以不需要量子比特冷却。例如，ORCA Computing 的量子计算系统在室温下能够使用单光子充当量子比特，而无需进行低温冷却。离子阱量子计算也可以在不那么极端低温的环境下运行，因此能够以极小的电量处理信息，而且几乎不会产生热量。[9] 一项研究表明，与传统超级计算机相比，量子计算机最终可以将能耗减少超过 20 个数量级。[10]

有些问题依然存在。量子计算是否会加深富国和穷国之间的财富鸿沟？ 它是否会通过让新企业无法承担进入该行业的成本，以此来“过度保护”现有企业？ 对于仍受全球经济衰退、新冠疫情和人工智能这三重打击的劳动力市场，量子计算的影响如何？ 现代加密标准是否会因量子计算出色的计算能力而变得无用，从而将数据和隐私保护需求抛诸脑后？

政府必须发挥自身作用，确保量子计算能让许多人受益，而不只是让少数人受益。他们必须帮助开发和资助高等教育研究项目，特别是目前缺乏支持的有财务风险的领域（如碳捕获）和人道主义项目（如灾难预测）。合作伙伴关系的模板现已存在。请查看 IBM 与英国政府之间的当前合作[11]、荷兰公私合作伙伴关系 Quantum Delta，或者美国和英国于 2021 年联合建立的量子科技合资企业[12]。

我认为，我们目前正处于量子计算发展的山脚，但我们已经可以看到前面的山峰。在私营部门和公共部门，我们必须保持开放的对话，确保我们选择的通往顶峰的路线是所有人都能到达的，并且到达目的地后彼此都能获得回报。量子技术有望让整个社会发生重大改变，从金融到国家安全，再到电信和工程领域。当我们达到“量子优势”状态（性能优于传统计算机）时，或许量子计算甚至可以帮助我们应对或消除人类生存的最大威胁——气候变化。

优化、模拟和量子增强机器学习。量子计算的革命性力量解锁了三个简单概念。它可能不会拯救世界，但无疑会永远改变世界。

 

[1] https://www.mckinsey.com/featured-insights/mckinsey-explainers/what-is-quantum-computing

[2] https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-quantum-computing

[3] https://prod.ucwe.capgemini.com/wp-content/uploads/2022/10/Quantum-Technologies__Sustainability_20-09-2022_final.pdf

[4] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[5] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[6] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[7] https://www.powerengineeringint.com/hydrogen/quantum-computing-techniques-reveal-improved-catalyst-for-green-hydrogen/

[8] https://projectqsydney.com/could-quantum-computing-help-curb-ais-carbon-footprint/

[9] https://www.techuk.org/resource/could-quantum-computing-hold-the-key-to-sustainability.html

[10] https://www.ornl.gov/news/energy-quantum-computing-efficiency

[11] https://newsroom.ibm.com/2021-06-03-UK-STFC-Hartree-Centre-and-IBM-Begin-Five-Year,-210-Million-Partnership-to-Accelerate-Discovery-and-Innovation-with-AI-and-Quantum-Computing

[12] https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2021/11/04/the-united-states-and-united-kingdom-issue-joint-statement-to-enhance-cooperation-on-quantum-information-science-and-technology/