“出新推出“產業洞察”欄目，聚焦各新興技術領域，解析各行業發展最前沿的問題。本周推出量子計算系列，本篇盤點量子計算對環境改善的影響。歡迎大家持續關注！

作者：Edis Osmanbasic|

(資料圖片)

編譯：唐詩 |

當今社會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境危害的方法，似乎我們可以通過一種創新和意想不到的技術形式來解決這場危機。

量子技術，如量子計算機和量子傳感器，可以改變應對氣候變化的斗爭。然而，這不僅僅是人們在理論化的事情——事實上，它已經在讓世界變得更好。

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為什么擁抱量子技術？

首先，量子計算機的處理能力意味著它們可以加快研發速度——這在創造新產品或化學品時特別有用。許多科學家正在尋找新的碳捕獲方法，可以防止二氧化碳進入大氣，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。

開發這些通常涉及數千次昂貴且耗時的測試，但在量子計算機的幫助下，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布。

量子計算公司也參與其中。今年早些時候，芬蘭初創公司IQM宣布已籌集了1.28億歐元（1.105億英鎊）。IQM為數據中心和研究實驗室構建本地量子計算機，但將利用這筆新資金共同設計新的量子計算機處理器，用于應對氣候危機，研究新的解決方案，包括優化能源網和氣候建模。

氣候建模可能是量子技術最重要和拯救生命的用途之一。使用量子計算機分析數據和量子傳感器（令人難以置信的精確傳感器）來測量氣象條件，我們可以創建氣候系統的復雜模型，并更準確地預測天氣——為人們提供從熱浪到颶風的一切警告。

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量子計算優化電池組成

電池是當今世界最重要的技術之一，這個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汽車(EV)的關鍵驅動器，在能量轉換方面發揮了重要作用。工業界、學術界和政府都為改進鋰離子技術投入了大量資源，而且他們的創造力越來越強。

例如，汽車制造商梅賽德斯—奔馳(Mercedes-Benz)和量子計算機公司 PsiQuantum 正在開發新的計算技術，以優化電池的化學組成。

鋰離子電池主要由陰極、陽極、電解質和隔膜四部分組成。必須對這些組件中的每一個進行優化，以便為電動汽車和能量存儲系統(EES)等要求較高的應用程序創建高性能電池。

梅賽德斯—奔馳公司的研發部門與 PsiQuantum 公司合作，研究出一種優化鋰離子電解質的方法。

鋰離子電解質是在電池的陰極和陽極之間輸送帶正電荷的離子的介質。設計高效、高性能的電解質需要對潛在的化學過程有深入的了解。為此，研究人員提出在分子水平上模擬液態鋰離子電解質中的化學反應。

然而，由于這種模擬對傳統計算機要求太高，研究人員轉而提議使用量子計算機，這種計算機利用量子力學的奇異性來加速某些類型的計算，比如量子化學。這兩個組織此前在《物理評論研究》上發表了他們的研究，題目是《量子化學模擬的容錯資源評估: 鋰離子電池電解質分子的案例研究》。

電解質是電池內部的一種化學溶液，它允許電荷在兩個電極之間通過。要使電池高效、穩定，其電解液應具有較高的離子導電性，不應與電極材料發生反應，并應能耐溫度變化。

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

研究中的三種分子: a)碳酸乙烯酯，b) PF6-，c)氟乙烯碳酸鹽

當鹽被放置在溶劑中時，它的組分在一個叫做溶劑化的過程中分解成離子。

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

這個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的一個例子。研究人員表示，了解三種電解質組分(鹽、溶劑和添加劑)之間的相互作用，可以為優化所有類型的電解質提供見解。

研究人員在論文中寫道: “量子化學模擬可以用來理解這些組成分子中發生的電化學反應，從而有助于設計更好的電解質。”

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量子計算改善網絡安全

量子技術有很多用途。它不僅可以幫助預防氣候危機，還可以改變從金融到醫療保健的每個行業。更重要的是，它可以用來改善我們的網絡防御，使它們比以往任何時候都更安全。

像英國科技公司Arqit這樣的公司，以及世界各地的更多公司，正在轉向量子技術來加強網絡安全。他們的對稱加密產品被證明是安全的，今年早些時候的一項獨立審查發現，Arqit的解決方案QuantumCloud代表了“安全通信的重大進步”。

Arqit已經建立了渠道合作伙伴來大規模交付，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保技術的公司合作，我們很快就會看到旨在解決氣候危機的新解決方案和技術。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 宣布了一項研究結果，表明 QuantumCloud使用的能源遠低于使用非對稱加密的替代方案。事實上，如果我們都使用對稱加密，我們可以將能耗降低多達 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結合使用，看起來這很可能是我們應對氣候危機的最佳方式。

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前進的道路

最終，研究的關鍵不是確定特定電解質添加劑的功效，而是了解模擬量子化學反應的成本和要求。

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算的力量來解決實際問題邁出的一步，這些問題包括優化電池電解質等傳統上難以解決的問題。

“預計量子計算機能夠根據第一原理進行量子化學模擬——只需要較少的假設和近似值——從而精確地模擬各種分子的性質。反過來，這樣的研究可能導致對這些分子的新見解，否則很難獲得。”

因此，盡管電動汽車制造商還不會在他們的汽車上塞滿量子優化的鋰離子電池，但要密切關注這個領域。量子計算機開始顯示出真正的希望，如果這項研究是任何跡象，這種希望可能很快就會用于向可再生能源的過渡。

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延伸閱讀

量子計算的主要參與者可分為四大類：第一類是國際科技巨頭，例如IBM、谷歌、霍尼韋爾等；第二類是量子計算初創公司，例如Rigetti、IonQ等；第三類是國家科研院所，例如美國費米國家實驗室（Fermilab）、美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）、中科院量子信息與量子科技創新研究院；第四類是高水平研究型大學，例如劍橋大學、中國科學技術大學、哈佛大學等。

現在的量子計算機僅能處理某一個或某幾個方面的問題，尚未達到通用的程度。量子科技企業不僅需要斥巨資研制量子計算機，還需要擁有諸多研究人員設計制造量子硬件和軟件來支持這些機器。

未來，通用量子計算機需要在底層量子物理設備、量子計算機架構、量子資源調度、上層量子程序設計語言、量子算法及量子應用軟件等多方面進行努力。以下是量子計算行業典型代表有關量子計算的最新技術和商業進展。

2021年全球量子計算主要參與者地理分布

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