推動(dòng)量子計(jì)算發(fā)展的原因有很多，例如從推進(jìn)科學(xué)進(jìn)步到解決經(jīng)典計(jì)算的局限性等方面，但研究人員更多的提出了這樣一種觀點(diǎn)，量子計(jì)算和其他形式的量子技術(shù)最重要的任務(wù)，是將其用作科學(xué)家或企業(yè)家阻止和逆轉(zhuǎn)氣候變化的工具。

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在預(yù)印本服務(wù)器ArXiv上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，包括領(lǐng)先的行業(yè)專家和學(xué)者在內(nèi)的一組研究人員列出了量子計(jì)算可以幫助科學(xué)家解決我們這個(gè)時(shí)代面臨的最重要挑戰(zhàn)的四個(gè)原因：物理系統(tǒng)模擬、組合優(yōu)化、量子傳感和計(jì)算能效。

物理系統(tǒng)模擬

據(jù)研究人員稱，從了解氣候變化的解決方案上看，無論是尋找提高輕金屬運(yùn)輸?shù)牟牧?，還是如何更好地將碳從大氣中過濾出來，都需要進(jìn)行密集計(jì)算。雖然量子計(jì)算并不適用于所有問題，但它在模擬物理系統(tǒng)方面表現(xiàn)出巨大的潛力。

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研究人員寫道：“在電子和原子的微觀層面，所有物理行為都受量子力學(xué)支配。然而，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)研究量子尺度面臨著主要障礙，因?yàn)榫_模擬所需的時(shí)間和內(nèi)存隨著系統(tǒng)的大小呈指數(shù)增長(zhǎng)。”

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例如量子計(jì)算機(jī)，它可以幫助創(chuàng)造更好的可持續(xù)能源材料和設(shè)備。他們寫道：“首先，在今天不可能達(dá)到的精確度下，原則上，研究人員可以在花費(fèi)大量時(shí)間投資于實(shí)驗(yàn)室之前，實(shí)現(xiàn)模擬新光伏、電池材料和燃料。盡管目前在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行了許多有用的材料和化學(xué)模擬，但它們不精確的結(jié)果通常只能用于定性結(jié)論或消除不良候選者。其次，有了量子計(jì)算機(jī)，人們將能對(duì)給定的應(yīng)用程序執(zhí)行數(shù)百萬個(gè)（或更多）分子的虛擬篩選，對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很高的信心（與當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬給出的中等或低置信度相反） ?！?/p>

量子優(yōu)化

研究人員提到，雖然現(xiàn)在談量子優(yōu)化為時(shí)過早，還需要進(jìn)一步研究，但使用量子優(yōu)化可能會(huì)提供創(chuàng)造更清潔的環(huán)境的多種途徑。優(yōu)化問題是量子可應(yīng)用的解決方案之一，是一種在許多可行解決方案中找到最佳解決方案的方法。

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對(duì)于氣候，更好的優(yōu)化算法可能不會(huì)直接導(dǎo)致更好的環(huán)境結(jié)果，但它可以加強(qiáng)可持續(xù)性努力，成為實(shí)現(xiàn)更清潔地球的重要步驟。例如，在量子計(jì)算的賦能下，科學(xué)家們已經(jīng)開始探索量子在解決問題（例如電動(dòng)汽車的智能充電）方面是否比經(jīng)典方法更具優(yōu)勢(shì)。

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研究人員寫道，適合量子優(yōu)化工作的問題和應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)滿足兩個(gè)條件。它們應(yīng)該幫助應(yīng)對(duì)氣候變化，并且非常適合量子資源和潛在的量子優(yōu)勢(shì)。研究人員建議的標(biāo)準(zhǔn)包括：中等問題規(guī)模、非數(shù)據(jù)密集型?、可衡量的影響、影響乘數(shù)、二階效應(yīng)?？赡馨娏湍茉?、系統(tǒng)布局、交通網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)以及氣候減緩和適應(yīng)等領(lǐng)域的項(xiàng)目。

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研究人員得出結(jié)論：“在不久的將來，與氣候相關(guān)的優(yōu)化應(yīng)用似乎是一個(gè)有利可圖的領(lǐng)域，雖然目前有些模糊，但在不久的將來可能會(huì)獲得量子優(yōu)勢(shì)。我們鼓勵(lì)進(jìn)一步研究以確定最有前途的應(yīng)用，特別是通過加強(qiáng)量子和氣候社區(qū)之間的對(duì)話，以及來自能源、運(yùn)輸和運(yùn)籌學(xué)等行業(yè)的對(duì)話。我們強(qiáng)調(diào)，隨著基礎(chǔ)研究繼續(xù)落地在量子優(yōu)化方面，用以反映發(fā)展中的科學(xué)和技術(shù)。這里的觀點(diǎn)在不久的將來可能會(huì)發(fā)生重大變化，特別是量子計(jì)算研究有時(shí)會(huì)得出最新的和改進(jìn)后的經(jīng)典算法，這是進(jìn)一步受歡迎的發(fā)展趨勢(shì)?！?/p>

量子傳感

研究人員表示，量子技術(shù)還可以關(guān)注環(huán)境，而傳統(tǒng)傳感器和探測(cè)器可能無法做到。量子傳感器將努力收集數(shù)據(jù)以告知科學(xué)家氣候變化，并為相關(guān)戰(zhàn)略和政策提供信息。研究人員報(bào)告說：“量子傳感器為測(cè)量其環(huán)境帶來了新的范式，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典世界中不可能實(shí)現(xiàn)的效率和相關(guān)性。應(yīng)用于氣候變化，預(yù)計(jì)它們將從電力到環(huán)境監(jiān)測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。”

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該團(tuán)隊(duì)確定了量子傳感可賦能應(yīng)用的五個(gè)領(lǐng)域：電力系統(tǒng)、交通、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和社會(huì)。

量子系統(tǒng)的能效

研究人員表示，量子計(jì)算通過其計(jì)算效率對(duì)氣候變化產(chǎn)生直接影響。換句話說，一旦實(shí)現(xiàn)，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)或超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)在解決某些問題方面的計(jì)算效率可能會(huì)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，在實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的情況下，谷歌在其量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行計(jì)算，量子設(shè)備使用的功率比在超級(jí)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行相同的計(jì)算少約 557,000 倍。

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研究人員寫道：“使用量子計(jì)算機(jī)解決目前在超級(jí)計(jì)算機(jī)上無法解決的問題的潛力正廣為人知，然而，即使量子計(jì)算機(jī)在處理給定問題時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快的計(jì)算時(shí)間，使用它們?nèi)匀豢赡芴峁﹥?yōu)勢(shì)。事實(shí)上，量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)提高所需物理資源的效率，例如完成給定計(jì)算所需的總能量。”

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量子計(jì)算機(jī)尚未在主流用途中取得優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。然而，隨著投資者和研究者涌入該領(lǐng)域，這種量子優(yōu)勢(shì)可能成為一個(gè)何時(shí)存在，而非是否存在的問題。根據(jù)研究人員的說法，隨著量子計(jì)算的不斷發(fā)展，應(yīng)該多考慮量子計(jì)算作為問題解決者和節(jié)能者的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)布作者：馬特·斯韋恩

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“The Quantum Daily”，文章中的信息或所表述的觀點(diǎn)意見，均不代表量子前哨同意或支持。