報(bào)道：量子計(jì)算系列 | 量子計(jì)算如何促成碳中和？

“出新推出“產(chǎn)業(yè)洞察”欄目，聚焦各新興技術(shù)領(lǐng)域，解析各行業(yè)發(fā)展最前沿的問題。本周推出量子計(jì)算系列，本篇盤點(diǎn)量子計(jì)算對(duì)環(huán)境改善的影響。歡迎大家持續(xù)關(guān)注！

作者：Edis Osmanbasic|

(資料圖片)

編譯：唐詩 |

當(dāng)今社會(huì)面臨的最大問題之一是氣候變化，在接下來的幾年甚至幾十年里，情況只會(huì)變得更糟，洪水、干旱和森林大火等極端天氣事件每年都在惡化。世界上一些最偉大的思想家一直在努力尋找反擊這種環(huán)境危害的方法，似乎我們可以通過一種創(chuàng)新和意想不到的技術(shù)形式來解決這場(chǎng)危機(jī)。

量子技術(shù)，如量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器，可以改變應(yīng)對(duì)氣候變化的斗爭(zhēng)。然而，這不僅僅是人們?cè)诶碚摶氖虑椤聦?shí)上，它已經(jīng)在讓世界變得更好。

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為什么擁抱量子技術(shù)？

首先，量子計(jì)算機(jī)的處理能力意味著它們可以加快研發(fā)速度——這在創(chuàng)造新產(chǎn)品或化學(xué)品時(shí)特別有用。許多科學(xué)家正在尋找新的碳捕獲方法，可以防止二氧化碳進(jìn)入大氣，或者更高效的電池，這將阻止我們中的許多人依賴化石燃料來四處走動(dòng)。

開發(fā)這些通常涉及數(shù)千次昂貴且耗時(shí)的測(cè)試，但在量子計(jì)算機(jī)的幫助下，它們可以更快地完成（即使是在模擬中），并盡早將它們向公眾發(fā)布。

量子計(jì)算公司也參與其中。今年早些時(shí)候，芬蘭初創(chuàng)公司IQM宣布已籌集了1.28億歐元（1.105億英鎊）。IQM為數(shù)據(jù)中心和研究實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建本地量子計(jì)算機(jī)，但將利用這筆新資金共同設(shè)計(jì)新的量子計(jì)算機(jī)處理器，用于應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)，研究新的解決方案，包括優(yōu)化能源網(wǎng)和氣候建模。

氣候建模可能是量子技術(shù)最重要和拯救生命的用途之一。使用量子計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)和量子傳感器（令人難以置信的精確傳感器）來測(cè)量氣象條件，我們可以創(chuàng)建氣候系統(tǒng)的復(fù)雜模型，并更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)天氣——為人們提供從熱浪到颶風(fēng)的一切警告。

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量子計(jì)算優(yōu)化電池組成

電池是當(dāng)今世界最重要的技術(shù)之一，這個(gè)世界試圖重新改造自身的供電方式，更重要的是改造不供電的方式。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車(EV)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)器，在能量轉(zhuǎn)換方面發(fā)揮了重要作用。工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府都為改進(jìn)鋰離子技術(shù)投入了大量資源，而且他們的創(chuàng)造力越來越強(qiáng)。

例如，汽車制造商梅賽德斯—奔馳(Mercedes-Benz)和量子計(jì)算機(jī)公司 PsiQuantum 正在開發(fā)新的計(jì)算技術(shù)，以優(yōu)化電池的化學(xué)組成。

鋰離子電池主要由陰極、陽極、電解質(zhì)和隔膜四部分組成。必須對(duì)這些組件中的每一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化，以便為電動(dòng)汽車和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(EES)等要求較高的應(yīng)用程序創(chuàng)建高性能電池。

梅賽德斯—奔馳公司的研發(fā)部門與 PsiQuantum 公司合作，研究出一種優(yōu)化鋰離子電解質(zhì)的方法。

鋰離子電解質(zhì)是在電池的陰極和陽極之間輸送帶正電荷的離子的介質(zhì)。設(shè)計(jì)高效、高性能的電解質(zhì)需要對(duì)潛在的化學(xué)過程有深入的了解。為此，研究人員提出在分子水平上模擬液態(tài)鋰離子電解質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)。

然而，由于這種模擬對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要求太高，研究人員轉(zhuǎn)而提議使用量子計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的奇異性來加速某些類型的計(jì)算，比如量子化學(xué)。這兩個(gè)組織此前在《物理評(píng)論研究》上發(fā)表了他們的研究，題目是《量子化學(xué)模擬的容錯(cuò)資源評(píng)估: 鋰離子電池電解質(zhì)分子的案例研究》。

電解質(zhì)是電池內(nèi)部的一種化學(xué)溶液，它允許電荷在兩個(gè)電極之間通過。要使電池高效、穩(wěn)定，其電解液應(yīng)具有較高的離子導(dǎo)電性，不應(yīng)與電極材料發(fā)生反應(yīng)，并應(yīng)能耐溫度變化。

根據(jù)電池的類型，電解液可以是液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)(凝膠)或干聚合物。鋰離子電池常用的電解質(zhì)是鹽六氟化鋰鉀(liPF6)和溶劑碳酸乙烯酯(EC)。電解質(zhì)也可以通過使用不同的添加劑來增強(qiáng)，如碳酸氟乙烯(FEC)。研究人員提出用這些組件進(jìn)行模擬。

研究中的三種分子: a)碳酸乙烯酯，b) PF6-，c)氟乙烯碳酸鹽

當(dāng)鹽被放置在溶劑中時(shí)，它的組分在一個(gè)叫做溶劑化的過程中分解成離子。

研究人員提出，量子化學(xué)模擬將計(jì)算在兩種不同的溶劑環(huán)境中溶解所需的解離能，一種有添加劑，另一種沒有。我們的目標(biāo)是確定哪種環(huán)境更適合分離。

這個(gè)案例研究只是未來研究人員如何更好地理解鋰離子電解質(zhì)的一個(gè)例子。研究人員表示，了解三種電解質(zhì)組分(鹽、溶劑和添加劑)之間的相互作用，可以為優(yōu)化所有類型的電解質(zhì)提供見解。

研究人員在論文中寫道: “量子化學(xué)模擬可以用來理解這些組成分子中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，從而有助于設(shè)計(jì)更好的電解質(zhì)。”

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量子計(jì)算改善網(wǎng)絡(luò)安全

量子技術(shù)有很多用途。它不僅可以幫助預(yù)防氣候危機(jī)，還可以改變從金融到醫(yī)療保健的每個(gè)行業(yè)。更重要的是，它可以用來改善我們的網(wǎng)絡(luò)防御，使它們比以往任何時(shí)候都更安全。

像英國(guó)科技公司Arqit這樣的公司，以及世界各地的更多公司，正在轉(zhuǎn)向量子技術(shù)來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全。他們的對(duì)稱加密產(chǎn)品被證明是安全的，今年早些時(shí)候的一項(xiàng)獨(dú)立審查發(fā)現(xiàn)，Arqit的解決方案QuantumCloud代表了“安全通信的重大進(jìn)步”。

Arqit已經(jīng)建立了渠道合作伙伴來大規(guī)模交付，并正在與全球政府和組織合作。如果他們與IQM等公司以及其他致力于環(huán)保技術(shù)的公司合作，我們很快就會(huì)看到旨在解決氣候危機(jī)的新解決方案和技術(shù)。這并不是Arqit被證明有用的唯一方式。

2022 年 11 月，就在撰寫本文的幾周前，Arqit 宣布了一項(xiàng)研究結(jié)果，表明 QuantumCloud使用的能源遠(yuǎn)低于使用非對(duì)稱加密的替代方案。事實(shí)上，如果我們都使用對(duì)稱加密，我們可以將能耗降低多達(dá) 58%。

將Arqit的尖端解決方案與IQM的量子處理器以及其他類似技術(shù)結(jié)合使用，看起來這很可能是我們應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)的最佳方式。

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前進(jìn)的道路

最終，研究的關(guān)鍵不是確定特定電解質(zhì)添加劑的功效，而是了解模擬量子化學(xué)反應(yīng)的成本和要求。

研究人員聲稱，他們的研究是朝著更好地理解如何利用量子計(jì)算的力量來解決實(shí)際問題邁出的一步，這些問題包括優(yōu)化電池電解質(zhì)等傳統(tǒng)上難以解決的問題。

“預(yù)計(jì)量子計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)第一原理進(jìn)行量子化學(xué)模擬——只需要較少的假設(shè)和近似值——從而精確地模擬各種分子的性質(zhì)。反過來，這樣的研究可能導(dǎo)致對(duì)這些分子的新見解，否則很難獲得。”

因此，盡管電動(dòng)汽車制造商還不會(huì)在他們的汽車上塞滿量子優(yōu)化的鋰離子電池，但要密切關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。量子計(jì)算機(jī)開始顯示出真正的希望，如果這項(xiàng)研究是任何跡象，這種希望可能很快就會(huì)用于向可再生能源的過渡。

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延伸閱讀

量子計(jì)算的主要參與者可分為四大類：第一類是國(guó)際科技巨頭，例如IBM、谷歌、霍尼韋爾等；第二類是量子計(jì)算初創(chuàng)公司，例如Rigetti、IonQ等；第三類是國(guó)家科研院所，例如美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院；第四類是高水平研究型大學(xué)，例如劍橋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈佛大學(xué)等。

現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)僅能處理某一個(gè)或某幾個(gè)方面的問題，尚未達(dá)到通用的程度。量子科技企業(yè)不僅需要斥巨資研制量子計(jì)算機(jī)，還需要擁有諸多研究人員設(shè)計(jì)制造量子硬件和軟件來支持這些機(jī)器。

未來，通用量子計(jì)算機(jī)需要在底層量子物理設(shè)備、量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)、量子資源調(diào)度、上層量子程序設(shè)計(jì)語言、量子算法及量子應(yīng)用軟件等多方面進(jìn)行努力。以下是量子計(jì)算行業(yè)典型代表有關(guān)量子計(jì)算的最新技術(shù)和商業(yè)進(jìn)展。

2021年全球量子計(jì)算主要參與者地理分布

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