量子技术的颠覆性力量将对应对全球最大的挑战产生有益的影响。

COP26无疑一直关注着政治家、经济学家、实业家和消费者的思想。事实上，意大利总理马里奥·德拉吉（Mario Draghi）呼吁在气候变化问题上实现"质的飞跃"。不知不觉中，他可能已经指出了其中一个解决方案。

气候变化是我们面临的最大挑战之一。为了避免气候变化的最坏影响，如严重干旱和生态系统崩溃，我们必须在2050年实现温室气体净零排放。按照目前的速度，每年向大气中增加510亿吨温室气体。为了实现净零排放，我们需要改变我们的行为，我们需要新的立法，我们需要新技术。

我们需要所有类型的技术来实现这一目标。然而，有一种类型的技术特别有趣。运行量子计算机可以减少排放，因为它们比大型超级计算机集群更节能，因此可以节省能源消耗。然而，更重要的是，量子计算机可用于研究，以开发和评估我们实现净零排放所需的技术。化学、材料科学或制药领域的量子模拟可以成倍地加速模拟（与经典计算机相比），我们需要这些模拟来发明更好的太阳能电池板、工业过程和电动汽车。鉴于量子计算机的巨大潜力，量子技术是否有助于我们实现净零排放的雄心壮志，这一点值得探索。

为了探索量子计算机如何提供帮助，我将首先概述我们的排放来自哪里。我从比尔·盖茨（Bill Gates）的《如何避免气候灾难》（How to Avoid a Climate Disaster）一书中借用了这些统计数据。在510亿吨的二氧化碳等效性中，近三分之一（31%）来自我们建造或制造东西的方式。虽然我们大多数人都最了解与交通（例如电动汽车补贴）或插入（太阳能屋顶板）相关的气候政策，但我们制造东西的方式比保持温暖和凉爽的排放物的污染高出四倍以上。发电（通过煤炭，天然气，可持续能源或其他）占全球排放量的27%，出行（通过汽车，飞机或轮船）占16%，种植物（农业过程）占19%。

过去的技术突破使一些可持续的做法触手可及。例如，太阳能电池板的价格在过去十年中下降了90%，现在，在一些国家，与传统发电相比，太阳能电池板的价格具有竞争力。也就是说，如果太阳在闪耀。其他行业，如混凝土制造，发现减少排放要困难得多。绿色溢价，即用无碳制造取代传统方法的额外成本，在混凝土制造中是最高的。为了实现零排放，我们需要技术突破来降低绿色溢价。量子计算机通过其指数级加速模拟的潜力，可以在发现和加速这些突破方面发挥重要作用。

发电的量子优势

让我们来看看量子计算机可以做到这一点的一些最有意义的方式，从我们发电的方式开始。电力生产占温室气体排放量的27%，如果没有重大的政府和商业干预，未来十年可能会翻一番。我们需要可持续的方式来生产它，我们需要尽可能减少使用。为了生产清洁能源，我们需要转向可再生能源（如太阳能、风能、潮汐能和生物质能）和核能。然而，风能和太阳能等可再生能源仅在阳光明媚和风吹时提供能量，随后需要存储和灵活的电网。

我相信量子计算机可以通过三种重要方式支持电力供应方面：

• 更高效的太阳能电池板。目前，传统太阳能电池板的最大效率约为15%，而理论上限制为23%。量子计算机可以通过模拟新型光伏材料（如量子点或钙钛矿）来提供帮助，这些材料可以提高效率或降低制造成本。

• 高效的能源网。可持续能源的可变性给能源网带来了相当大的压力。量子算法可以帮助电网的优化、规划和物流，以及预测和平衡负载的模拟。此外，量子模拟可以帮助发现具有更好导电性能的新材料，如高温超导体。

• 发展下一代核电。下一代核裂变或核聚变是没有任何排放的有前途的能源。特别是核聚变，它承诺提供几乎无限的能量，没有任何放射性废物或排放物。然而，开发下一代核电极其复杂，通常依赖于大型计算机模型。量子计算机可以通过模拟新材料（如高温超导体）或高能粒子物理学来加速这一过程。

制造业中的量子优势

温室气体排放的另一个重要部分来自我们制造东西的方式，加起来占总排放量的近三分之一（31%）。排放存在于生产供应链的所有部分，然而，钢铁、水泥和塑料生产的排放对于量子计算的探索特别有趣，因为它们无处不在。此外，这些材料的生产过程污染了大量的排放物，因为保持工厂运转需要大量的电力，触发化学反应所需的热量以及化学过程本身释放的碳。

然而，量子计算机可以通过多种方式帮助制造业：

• 混凝土更坚固，这样可以使用的更少。减少环境影响的一种方法是生产超强品种，这样需要更少的混凝土来完成相同的工作。通过使用量子模拟来找到聚合物的正确组合，可以制造出更坚固的混凝土。瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology）建筑实验室负责人凯伦·斯克里文纳（Karen Scrivener）表示："这将是每个人都试图实现的巨大飞跃。我想说的是，在5到10年的基础上，我们也许能够在纳米尺度上从根本上改变混凝土的性能。

• 氢动力钢铁生产。钢铁生产中排放的主要原因与在制造过程中获得所需的温度有关。目前，这是通过燃烧煤炭来完成的，煤炭是污染最严重的化石燃料之一。然而，量子模拟可以帮助找到更好、更有效的制氢催化剂，从而降低氢气的成本。

• ·更高效的供应链。全球供应链由于其复杂性而遭受效率低下的困扰。量子优化算法可能有助于优化路由网络，有效地调度资源以及预测需求和供应。尽管此用例的量子优势不如其他用例那么明显，但只有百分之几的改进才会对环境和经济产生巨大的影响。

农业中的量子优势

第三，我们种植的方式加起来占总排放量的19%。与我们生产的食物相关的排放源有很多种。其中一部分是与工业过程有关的排放，例如化肥生产，而另一些则与肉类和乳制品生产中的甲烷排放有关，或与农业目的的森林砍伐有关。在农业过程中，减少排放甚至封存温室气体的机会也很多。发达国家与非洲部分地区在农业生产力方面存在巨大差距（非洲每平方米玉米产量平均是美国的十分之一），这表明改善农业可持续土地利用的巨大潜力。以下用例特别有希望。

• 更高效的肥料生产。化肥生产中的污染部分是通过百年历史的哈伯-博世工艺固定氮气，这需要高压和高温。在此过程中，全球近2%的能源被消耗。另一方面，天然存在的固氮酶在室温和压力下固定氮。了解固氮酶的工作原理是当前经典系统无法实现的，但对于中期量子计算机是可行的。最终，量子计算机可以帮助开发受自然启发的工业催化剂。

• 农业中的碳固存。通过可持续农业实践实现碳固存（将碳放回地下）的总潜力在300亿至400亿吨之间，几乎是2021年世界排放量的十倍。植物基因组的量子模拟可能会改善诸如对天气条件的适应力或作物产量等特征，以便农民可以应用可持续实践，或将农业用地归还给自然。

移动出行的量子优势

最后，我们的出行方式占总排放量的16%。尽管电动汽车销量在过去几年中大幅回升，但到2020年底，插电式电动汽车的库存仅占全球道路上所有乘用车的1%。此外，其他运输工具，如飞机，轮船，卡车和公共汽车将更难电气化。以下是两个特别有趣的量子计算用例。

• 更具吸引力的电动汽车。电动汽车采用的一个主要障碍是电池的容量，可降解性和充电时间有限。量子算法可以帮助开发高容量锂（金属）电池。戴姆勒和IBM已经在致力于提高锂电池的容量和充电速度，使用量子计算机对下一代锂硫（Li-S）电池进行建模，这些电池将比当今广泛使用的锂离子电池更强大，更持久，更便宜。

• 氢动力重型运输。电力推进对于重型运输，如飞机，轮船和长途卡车来说是不可能的。相反，可以使用氢气。量子算法可用于开发用于氢气生产和储存的更有效的工业催化剂。

让我强调一下，量子技术，甚至整个技术，都不是解决气候危机的唯一办法。为了实现净零排放，我们需要各种各样的行为改变、立法、研究、激励和投资。坦率地说，没有时间可以浪费。我们不能允许自己等待量子计算，这可能还需要5年，10年甚至更远的时间。然而，我们还必须为今后的挑战作出规划。我们必须承认，我们没有准备好取代钢铁和水泥生产等难以转型的行业的技术。虽然我们今天应该大规模采用太阳能和风能，但我们应该投资于智能电网和未来替代能源的研究。量子计算作为21世纪最具颠覆性的技术之一，可能在开发我们需要的突破性技术方面提供强大的优势。

by Julian van Velzen

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