量子计算可能是应对气候变化一个意想不到的办法

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量子计算有望在一天甚至几分钟内解决当今一些最复杂的问题——这些问题中有很多是利用现有技术无法解决的，比如实现更快更好的药物设计，从全球供应链的角度解决出行问题等等。

因此，这一领域的专家越来越多地将注意力转向使用量子计算机来解决我们时代最大的挑战之一：气候变化，从而提供解决方案。这似乎很合理。

与我们熟悉的经典计算机不同，量子计算机是为了利用量子物理的奇怪定律而建造的。工程师们还在研究如何大规模做量子计算，也就是说目前量子计算机的使用还是非常有限的；但可以预期的是，如果构建一个成熟的设备，它将具有指数级的计算能力，能够快速解决即使是性能最高的超级计算机也需要大量时间和计算资源的问题。

正如Q4Climate(Q4Climate是一个聚集量子研究和气候科学交叉领域专家的组织)所指出的那样，尽管在目前的研究领域中，还没有办法找到量子计算机如何应对气候变化的挑战。但情况正在慢慢改变。例如，领先的量子软件公司Zapata Computing表示，他们的技术可能会对联合国设定的各种可持续发展目标产生影响，从清洁水和卫生设施到负担得起的清洁能源。

此外，Q4Climate还总结了一份报告，其中讨论了量子计算机可以发挥重要作用的一些领域。

需要注意的是，量子计算仍然是一项新技术，它甚至没有完成任何有用的计算。因此，对任何未来能力的评估都应该谨慎。

Q4气候咨询委员会成员Alexandre Blais表示：“Q4气候并不是说量子计算将解决气候变化问题。我们想说的是，作为科学家，我们需要注意看能不能帮上忙。现阶段只能指出哪些有趣的研究领域，希望这些领域的专家能够接受挑战。”

以量子模拟为例，量子模拟包括对分子组成的系统的行为预测，这是目前经典计算机特别难以解决的问题，因为很多因素都会影响分子相互作用的方式。

现在许多公司都在研究如何利用量子计算来改进新药或下一代材料的模拟。与此同时，量子模拟也有助于构建更高效的电池、更好的太阳能电池或风力涡轮机材料，甚至更具吸收性的碳捕获技术催化剂。

在农业方面，量子模拟可以显著降低占全球能源2%的化肥的功耗。

Blais说：“在量子计算机上完成量子化学任务仍然具有挑战性，但已经进行了全面的研究。我们知道，一旦我们有了量子计算机，我们可以期待这个过程会加速。我们可以期待量子计算机找到制造肥料的新方法。想象一下，如果我们能把能源消耗降低仅仅百分之几，就会给整个世界带来巨大的利益。”

量子计算机也有望在高难度的优化任务中表现出色，Q4Climate也将其视为一个有趣的领域，比如优化电网可以省电节能，更好地管理交通流量可以减少碳排放等等。

此外，量子技术还可以用于优化碳密集型材料的设计。例如，波士顿咨询集团(BCG)表示，生产碳需求更少、重量更轻、强度更强、质量更好的保温材料，可以减少建筑、运输或金属(如水泥)生产的排放。

因此，量子计算机可能是设计气候变化解决方案的关键工具，这可能对环境有很大好处。

无论量子计算是否用于与气候相关的计算，都有望显著提高计算速度，这意味着即使是最复杂的程序也需要更少的资源。

运行在普通计算机上的工作负载通常是能量密集型的，并且只会随着工作负载的增加而消耗更多的资源。“就人工智能而言，一个培训工作在整个生命周期的碳足迹相当于5辆车。这是相当巨大的，”IBM研究员Tamar Eilam说，他目前正在研究减少云计算对环境影响的方法。

研究表明，那些具有最高性能分数的深度学习模型通常是计算密集型的，因为它们需要消耗大量的数据。发现一个算法的生命周期会产生相当于28.4万kg的二氧化碳，是美国汽车平均生命周期排放量(包括制造过程)的近5倍。

简而言之，量子计算机可以大幅减少这些数字。Eilam说：“因为计算所需的时间缩短了，所以能耗会更有效率。对于给定的计算，如果你能用量子计算机更快地解决它，那么你就可以降低能耗。”

当然，还有很多其他因素：例如，谷歌和IBM开发的量子计算机(称为超导量子计算机)有严格的冷却要求，需要保持在比外太空更冷的温度。

然而，该领域的早期研究似乎表明，量子计算机的整体能耗将低于经典设备。例如，D-Wave的2000Q量子计算机的功耗比世界上最强大的计算系统之一IBM Summit超级计算机低四个数量级。

同样，美国橡树岭国家实验室的科学家计算出

在通过实际使用量子计算技术证实这些数据之前，我们还有很多研究要做。随着量子计算机的体积不断增加，将会有更多参数可以用来确定量子计算机在减少碳足迹方面发挥的作用，例如耗水量以及芯片制造中使用可再生材料等等。

但即使作为一名来自量子计算领域之外的科学家，Eilam也对量子计算机在减少数字世界对环境影响方面的潜力寄予厚望。

Eilam说：“我不是量子计算方面的专家，但我在可持续性领域工作，量子计算确实是我们正在研究的一种解决方案。我们不应该把赌注押在一种技术上，但我们绝对应该考虑多种不同的途径，并在探索这些途径时冒一些险。”

最大的风险来自时间线：量子计算可能需要十年时间才能开始兑现承诺——如果真的能兑现的话。鉴于气候挑战的紧迫性，这个时间似乎太长了。

量子科学家意识到这一点，而且很少有人会坚持捍卫量子计算是气候变化最终解决方案的说法。相反，从长远来看，量子计算被视为是有助于环保工作的一种潜在工具。

“不幸的是，气候变化是一个长期问题，如果我们现在采取行动，10年、20年、甚至40年之后我们仍将不得不关注这个问题，这是我们正在考虑的时间表。”

因此，当务之急是加大力度构建可以运行有用算法的大规模量子计算机——这是政府和公司大力投资的目标，而且他们在这方面也相当活跃。

不过下个阶段也可能是难度更高的阶段，将要激励量子研究团队将他们的成果应用于以气候为重点的量子计算机应用场景。其潜力是存在的，结果可能是改变游戏规则的，但是将其付诸现实却是说起来容易做起来难。