圖：Misha Friedman / Contributor / Getty Images

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

因此，這個(gè)領(lǐng)域的專家越來(lái)越多地把注意力轉(zhuǎn)向利用量子計(jì)算機(jī)解決我們這個(gè)時(shí)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(lái)是很有道理的。

與我們熟悉的經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)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(jì)算，也就是說(shuō)，目前量子計(jì)算機(jī)的用途還是很有限的；但可以預(yù)期的是，如果一個(gè)成熟的設(shè)備建成后，將具有指數(shù)級(jí)的計(jì)算能力，并且能夠快速解決那些即使是對(duì)性能最高的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)也需要大量時(shí)間和計(jì)算資源的問(wèn)題。

正如Q4Climate（Q4Climate是一個(gè)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(wú)法找到關(guān)于量計(jì)算機(jī)如何應(yīng)對(duì)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(huì)對(duì)聯(lián)合國(guó)制定的各項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)產(chǎn)生影響，從清潔水和衛(wèi)生設(shè)施到可負(fù)擔(dān)得起的清潔能源。

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

需要注意的是，量子計(jì)算還是一項(xiàng)新興技術(shù)，甚至都還沒(méi)有完成任何有用的計(jì)算，因此，對(duì)任何未來(lái)能力的評(píng)估都應(yīng)該是謹(jǐn)慎的。

Q4Climate顧問(wèn)委員會(huì)成員Alexandre Blais表示：“Q4Climate并不是說(shuō)量子計(jì)算將解決氣候變化問(wèn)題，我們要說(shuō)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?，F(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(duì)由分子構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行行為預(yù)測(cè)，這是當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)特別難以解決的問(wèn)題，因?yàn)樵S多因素會(huì)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(jì)算如何用于改進(jìn)新藥或下一代材料的模擬。同時(shí)，量子模擬也有助于打造更高效的電池、更好的太陽(yáng)能電池或風(fēng)力渦輪機(jī)材料，或者甚至是用于實(shí)現(xiàn)碳捕獲技術(shù)的、吸收性更強(qiáng)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(fèi)的電能，而肥料占全球能源的比例高達(dá)2%。

Blais表示：“在量子計(jì)算機(jī)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(guò)，我們知道一旦有了量子計(jì)算機(jī)，我們就可以期待這個(gè)進(jìn)程會(huì)得到加速。我們可以期待著量子計(jì)算機(jī)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(duì)于全球范圍來(lái)說(shuō)都是將帶來(lái)巨大的收益。”

量子計(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)。例如，波士頓咨詢集團(tuán)(BCG)稱，生產(chǎn)碳需求量更少、更輕、更堅(jiān)固、更好的絕緣材料，可以減少建筑物、運(yùn)輸或金屬（如水泥）生產(chǎn)的排放量。

因此，量子計(jì)算機(jī)可能是設(shè)計(jì)氣候變化解決方案的一個(gè)關(guān)鍵工具，這對(duì)環(huán)境可能是大有益處的。

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

普通計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的工作負(fù)載通常都是能好密集型的，而且只會(huì)隨著工作負(fù)載量的增加而消耗更多資源。“就人工智能而言，一項(xiàng)訓(xùn)練工作在整個(gè)生命周期中消耗的碳足跡相當(dāng)于五輛汽車(chē)。這是相當(dāng)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(jì)算給環(huán)境帶來(lái)影響的方法。

有研究表明，那些性能評(píng)分最高的深度學(xué)習(xí)模型，通常也是計(jì)算密集型的，因?yàn)樾枰拇罅康臄?shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)一種算法的生命周期，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于284,000公斤的二氧化碳，這是美國(guó)汽車(chē)平均生命周期排放量（包括制造過(guò)程）的近5倍。

簡(jiǎn)而言之，量子計(jì)算機(jī)可以大幅削減這些數(shù)字。Eilam表示：“因?yàn)橛?jì)算所需的時(shí)間縮短了，所以能耗方面也會(huì)更加高效。對(duì)于給定的計(jì)算來(lái)說(shuō)，如果你能用量子計(jì)算機(jī)更快地解決它，那么就能讓你降低能耗。”

當(dāng)然，還有很多其他因素：比如谷歌和IBM開(kāi)發(fā)的量子計(jì)算機(jī)（被稱為超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)）對(duì)冷卻要求嚴(yán)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(jì)算機(jī)的整體能耗將低于經(jīng)典設(shè)備。例如，D-Wave的2000Q量子計(jì)算機(jī)的功耗比IBM Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)低四個(gè)數(shù)量級(jí)，后者是世界上最強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)之一。

同樣地，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家計(jì)算出量子計(jì)算機(jī)有可能將能源使用量降低100多萬(wàn)千瓦時(shí)。

在通過(guò)實(shí)際使用量子計(jì)算技術(shù)證實(shí)這些數(shù)據(jù)之前，我們還有很多研究要做。隨著量子計(jì)算機(jī)的體積不斷增加，將會(huì)有更多參數(shù)可以用來(lái)確定量子計(jì)算機(jī)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(lái)自量子計(jì)算領(lǐng)域之外的科學(xué)家，Eilam也對(duì)量子計(jì)算機(jī)在減少數(shù)字世界對(duì)環(huán)境影響方面的潛力寄予厚望。

Eilam說(shuō)：“我不是量子計(jì)算方面的專家，但我在可持續(xù)性領(lǐng)域工作，量子計(jì)算確實(shí)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(duì)應(yīng)該考慮多種不同的途徑，并在探索這些途徑時(shí)冒一些險(xiǎn)。”

最大的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自時(shí)間線：量子計(jì)算可能需要十年時(shí)間才能開(kāi)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(gè)時(shí)間似乎太長(zhǎng)了。

量子科學(xué)家意識(shí)到這一點(diǎn)，而且很少有人會(huì)堅(jiān)持捍衛(wèi)量子計(jì)算是氣候變化最終解決方案的說(shuō)法。相反，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，量子計(jì)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(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題，如果我們現(xiàn)在采取行動(dòng)，10年、20年、甚至40年之后我們?nèi)詫⒉坏貌魂P(guān)注這個(gè)問(wèn)題，這是我們正在考慮的時(shí)間表。”

因此，當(dāng)務(wù)之急是加大力度構(gòu)建可以運(yùn)行有用算法的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)——這是政府和公司大力投資的目標(biāo)，而且他們?cè)谶@方面也相當(dāng)活躍。

不過(guò)下個(gè)階段也可能是難度更高的階段，將要激勵(lì)量子研究團(tuán)隊(duì)將他們的成果應(yīng)用于以氣候?yàn)橹攸c(diǎn)的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)卻是說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。