圖：Misha Friedman / Contributor / Getty Images

量子計算有望解決在一天甚至是幾分鐘內(nèi)攻克當今最為復(fù)雜的一些問題——其中很多問題是使用現(xiàn)有技術(shù)無法解決的，例如實現(xiàn)更快更好地設(shè)計藥物、從全球供應(yīng)鏈角度解決差旅問題等等。

因此，這個領(lǐng)域的專家越來越多地把注意力轉(zhuǎn)向利用量子計算機解決我們這個時代最大的挑戰(zhàn)之一：氣候變化，為此提供解決方案。這看起來是很有道理的。

與我們熟悉的經(jīng)典計算機不同，量子計算機是為了利用量子物理學(xué)的奇怪定律而打造的。工程師們?nèi)栽谘芯咳绾未笠?guī)模地做到量子計算，也就是說，目前量子計算機的用途還是很有限的；但可以預(yù)期的是，如果一個成熟的設(shè)備建成后，將具有指數(shù)級的計算能力，并且能夠快速解決那些即使是對性能最高的超級計算機來說也需要大量時間和計算資源的問題。

正如Q4Climate（Q4Climate是一個聚集了量子研究和氣候科學(xué)交叉領(lǐng)域?qū)＜业慕M織）所指出，雖然目前研究領(lǐng)域還無法找到關(guān)于量計算機如何應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的方法。但情況正在慢慢發(fā)生變化。例如，領(lǐng)先的量子軟件公司Zapata Computing表示，他們的技術(shù)可能會對聯(lián)合國制定的各項可持續(xù)發(fā)展目標產(chǎn)生影響，從清潔水和衛(wèi)生設(shè)施到可負擔得起的清潔能源。

此外，Q4Climate還匯總出了一份報告，其中討論了量子計算機可以發(fā)揮重大作用的一些領(lǐng)域。

需要注意的是，量子計算還是一項新興技術(shù)，甚至都還沒有完成任何有用的計算，因此，對任何未來能力的評估都應(yīng)該是謹慎的。

Q4Climate顧問委員會成員Alexandre Blais表示：“Q4Climate并不是說量子計算將解決氣候變化問題，我們要說的是，作為科學(xué)家，我們需要注意，看看我們是否可以提供幫助。現(xiàn)階段，我們只能指出哪些有趣的研究領(lǐng)域，并希望這些領(lǐng)域的專家能夠接受挑戰(zhàn)。”

以量子模擬為例，量子模擬中包括對由分子構(gòu)成的系統(tǒng)進行行為預(yù)測，這是當前經(jīng)典計算機特別難以解決的問題，因為許多因素會影響分子相互作用的方式。

現(xiàn)在就有很多公司正在研究量子計算如何用于改進新藥或下一代材料的模擬。同時，量子模擬也有助于打造更高效的電池、更好的太陽能電池或風力渦輪機材料，或者甚至是用于實現(xiàn)碳捕獲技術(shù)的、吸收性更強的催化劑。

在農(nóng)業(yè)方面，量子模擬可以顯著降低制造肥料所耗費的電能，而肥料占全球能源的比例高達2%。

Blais表示：“在量子計算機上做量子化學(xué)任務(wù)仍然是具有挑戰(zhàn)性的，但已經(jīng)被全面研究過，我們知道一旦有了量子計算機，我們就可以期待這個進程會得到加速。我們可以期待著量子計算機能夠找到制造肥料的新方法。想象一下，如果我們能夠把能耗降低甚至只有百分之幾，對于全球范圍來說都是將帶來巨大的收益。”

量子計算機也有望在高難度的優(yōu)化任務(wù)中有出色表現(xiàn)，Q4Climate也將其作為一個有趣的領(lǐng)域，例如優(yōu)化電網(wǎng)可以節(jié)省電力和能源，更好地管理交通流量可以減少碳排放等等。

另外，量子技術(shù)還可以用于優(yōu)化碳密集型材料的設(shè)計。例如，波士頓咨詢集團(BCG)稱，生產(chǎn)碳需求量更少、更輕、更堅固、更好的絕緣材料，可以減少建筑物、運輸或金屬（如水泥）生產(chǎn)的排放量。

因此，量子計算機可能是設(shè)計氣候變化解決方案的一個關(guān)鍵工具，這對環(huán)境可能是大有益處的。

無論量子計算是否被用于與氣候相關(guān)的計算，它都有望顯著提高計算速度，這意味著，即使運行最復(fù)雜的程序，所需的資源也會有所降低。

普通計算機上運行的工作負載通常都是能好密集型的，而且只會隨著工作負載量的增加而消耗更多資源。“就人工智能而言，一項訓(xùn)練工作在整個生命周期中消耗的碳足跡相當于五輛汽車。這是相當巨大的，”IBM研究員Tamar Eilam表示，目前他正在致力于研究減少云計算給環(huán)境帶來影響的方法。

有研究表明，那些性能評分最高的深度學(xué)習模型，通常也是計算密集型的，因為需要消耗大量的數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)一種算法的生命周期，會產(chǎn)生相當于284,000公斤的二氧化碳，這是美國汽車平均生命周期排放量（包括制造過程）的近5倍。

簡而言之，量子計算機可以大幅削減這些數(shù)字。Eilam表示：“因為計算所需的時間縮短了，所以能耗方面也會更加高效。對于給定的計算來說，如果你能用量子計算機更快地解決它，那么就能讓你降低能耗。”

當然，還有很多其他因素：比如谷歌和IBM開發(fā)的量子計算機（被稱為超導(dǎo)量子計算機）對冷卻要求嚴格，需要保持在比外太空更冷的溫度下。

但該領(lǐng)域的早期研究似乎表明，量子計算機的整體能耗將低于經(jīng)典設(shè)備。例如，D-Wave的2000Q量子計算機的功耗比IBM Summit超級計算機低四個數(shù)量級，后者是世界上最強大的計算系統(tǒng)之一。

同樣地，美國橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家計算出量子計算機有可能將能源使用量降低100多萬千瓦時。

在通過實際使用量子計算技術(shù)證實這些數(shù)據(jù)之前，我們還有很多研究要做。隨著量子計算機的體積不斷增加，將會有更多參數(shù)可以用來確定量子計算機在減少碳足跡方面發(fā)揮的作用，例如耗水量以及芯片制造中使用可再生材料等等。

但即使作為一名來自量子計算領(lǐng)域之外的科學(xué)家，Eilam也對量子計算機在減少數(shù)字世界對環(huán)境影響方面的潛力寄予厚望。

Eilam說：“我不是量子計算方面的專家，但我在可持續(xù)性領(lǐng)域工作，量子計算確實是我們正在研究的一種解決方案。我們不應(yīng)該把賭注押在一種技術(shù)上，但我們絕對應(yīng)該考慮多種不同的途徑，并在探索這些途徑時冒一些險。”

最大的風險來自時間線：量子計算可能需要十年時間才能開始兌現(xiàn)承諾——如果真的能兌現(xiàn)的話。鑒于氣候挑戰(zhàn)的緊迫性，這個時間似乎太長了。

量子科學(xué)家意識到這一點，而且很少有人會堅持捍衛(wèi)量子計算是氣候變化最終解決方案的說法。相反，從長遠來看，量子計算被視為是有助于環(huán)保工作的一種潛在工具。

“不幸的是，氣候變化是一個長期問題，如果我們現(xiàn)在采取行動，10年、20年、甚至40年之后我們?nèi)詫⒉坏貌魂P(guān)注這個問題，這是我們正在考慮的時間表。”

因此，當務(wù)之急是加大力度構(gòu)建可以運行有用算法的大規(guī)模量子計算機——這是政府和公司大力投資的目標，而且他們在這方面也相當活躍。

不過下個階段也可能是難度更高的階段，將要激勵量子研究團隊將他們的成果應(yīng)用于以氣候為重點的量子計算機應(yīng)用場景。其潛力是存在的，結(jié)果可能是改變游戲規(guī)則的，但是將其付諸現(xiàn)實卻是說起來容易做起來難。