量子计算系列 | 量子计算如何促成碳中和？

2022-12-07 22:48:59来源：出新研究微信号

(资料图)

“出新推出“产业洞察”栏目，聚焦各新兴技术领域，解析各行业发展最前沿的问题。本周推出量子计算系列，本篇盘点量子计算对环境改善的影响。欢迎大家持续关注！

作者：Edis Osmanbasic|

编译：唐诗 |

当今社会面临的最大问题之一是气候变化，在接下来的几年甚至几十年里，情况只会变得更糟，洪水、干旱和森林大火等极端天气事件每年都在恶化。世界上一些最伟大的思想家一直在努力寻找反击这种环境危害的方法，似乎我们可以通过一种创新和意想不到的技术形式来解决这场危机。

量子技术，如量子计算机和量子传感器，可以改变应对气候变化的斗争。然而，这不仅仅是人们在理论化的事情——事实上，它已经在让世界变得更好。

为什么拥抱量子技术？

首先，量子计算机的处理能力意味着它们可以加快研发速度——这在创造新产品或化学品时特别有用。许多科学家正在寻找新的碳捕获方法，可以防止二氧化碳进入大气，或者更高效的电池，这将阻止我们中的许多人依赖化石燃料来四处走动。

开发这些通常涉及数千次昂贵且耗时的测试，但在量子计算机的帮助下，它们可以更快地完成（即使是在模拟中），并尽早将它们向公众发布。

量子计算公司也参与其中。今年早些时候，芬兰初创公司IQM宣布已筹集了1.28亿欧元（1.105亿英镑）。IQM为数据中心和研究实验室构建本地量子计算机，但将利用这笔新资金共同设计新的量子计算机处理器，用于应对气候危机，研究新的解决方案，包括优化能源网和气候建模。

气候建模可能是量子技术最重要和拯救生命的用途之一。使用量子计算机分析数据和量子传感器（令人难以置信的精确传感器）来测量气象条件，我们可以创建气候系统的复杂模型，并更准确地预测天气——为人们提供从热浪到飓风的一切警告。

量子计算优化电池组成

电池是当今世界最重要的技术之一，这个世界试图重新改造自身的供电方式，更重要的是改造不供电的方式。锂离子电池作为电动汽车(EV)的关键驱动器，在能量转换方面发挥了重要作用。工业界、学术界和政府都为改进锂离子技术投入了大量资源，而且他们的创造力越来越强。

例如，汽车制造商梅赛德斯—奔驰(Mercedes-Benz)和量子计算机公司 PsiQuantum 正在开发新的计算技术，以优化电池的化学组成。

锂离子电池主要由阴极、阳极、电解质和隔膜四部分组成。必须对这些组件中的每一个进行优化，以便为电动汽车和能量存储系统(EES)等要求较高的应用程序创建高性能电池。

梅赛德斯—奔驰公司的研发部门与 PsiQuantum 公司合作，研究出一种优化锂离子电解质的方法。

锂离子电解质是在电池的阴极和阳极之间输送带正电荷的离子的介质。设计高效、高性能的电解质需要对潜在的化学过程有深入的了解。为此，研究人员提出在分子水平上模拟液态锂离子电解质中的化学反应。

然而，由于这种模拟对传统计算机要求太高，研究人员转而提议使用量子计算机，这种计算机利用量子力学的奇异性来加速某些类型的计算，比如量子化学。这两个组织此前在《物理评论研究》上发表了他们的研究，题目是《量子化学模拟的容错资源评估: 锂离子电池电解质分子的案例研究》。

电解质是电池内部的一种化学溶液，它允许电荷在两个电极之间通过。要使电池高效、稳定，其电解液应具有较高的离子导电性，不应与电极材料发生反应，并应能耐温度变化。

根据电池的类型，电解液可以是液态、固态物质(凝胶)或干聚合物。锂离子电池常用的电解质是盐六氟化锂钾(liPF6)和溶剂碳酸乙烯酯(EC)。电解质也可以通过使用不同的添加剂来增强，如碳酸氟乙烯(FEC)。研究人员提出用这些组件进行模拟。

研究中的三种分子: a)碳酸乙烯酯，b) PF6-，c)氟乙烯碳酸盐

当盐被放置在溶剂中时，它的组分在一个叫做溶剂化的过程中分解成离子。

研究人员提出，量子化学模拟将计算在两种不同的溶剂环境中溶解所需的解离能，一种有添加剂，另一种没有。我们的目标是确定哪种环境更适合分离。

这个案例研究只是未来研究人员如何更好地理解锂离子电解质的一个例子。研究人员表示，了解三种电解质组分(盐、溶剂和添加剂)之间的相互作用，可以为优化所有类型的电解质提供见解。

研究人员在论文中写道: “量子化学模拟可以用来理解这些组成分子中发生的电化学反应，从而有助于设计更好的电解质。”

量子计算改善网络安全

量子技术有很多用途。它不仅可以帮助预防气候危机，还可以改变从金融到医疗保健的每个行业。更重要的是，它可以用来改善我们的网络防御，使它们比以往任何时候都更安全。

像英国科技公司Arqit这样的公司，以及世界各地的更多公司，正在转向量子技术来加强网络安全。他们的对称加密产品被证明是安全的，今年早些时候的一项独立审查发现，Arqit的解决方案QuantumCloud代表了“安全通信的重大进步”。

Arqit已经建立了渠道合作伙伴来大规模交付，并正在与全球政府和组织合作。如果他们与IQM等公司以及其他致力于环保技术的公司合作，我们很快就会看到旨在解决气候危机的新解决方案和技术。这并不是Arqit被证明有用的唯一方式。

2022 年 11 月，就在撰写本文的几周前，Arqit 宣布了一项研究结果，表明 QuantumCloud使用的能源远低于使用非对称加密的替代方案。事实上，如果我们都使用对称加密，我们可以将能耗降低多达 58%。

将Arqit的尖端解决方案与IQM的量子处理器以及其他类似技术结合使用，看起来这很可能是我们应对气候危机的最佳方式。

前进的道路

最终，研究的关键不是确定特定电解质添加剂的功效，而是了解模拟量子化学反应的成本和要求。

研究人员声称，他们的研究是朝着更好地理解如何利用量子计算的力量来解决实际问题迈出的一步，这些问题包括优化电池电解质等传统上难以解决的问题。

“预计量子计算机能够根据第一原理进行量子化学模拟——只需要较少的假设和近似值——从而精确地模拟各种分子的性质。反过来，这样的研究可能导致对这些分子的新见解，否则很难获得。”

因此，尽管电动汽车制造商还不会在他们的汽车上塞满量子优化的锂离子电池，但要密切关注这个领域。量子计算机开始显示出真正的希望，如果这项研究是任何迹象，这种希望可能很快就会用于向可再生能源的过渡。

延伸阅读

量子计算的主要参与者可分为四大类：第一类是国际科技巨头，例如IBM、谷歌、霍尼韦尔等；第二类是量子计算初创公司，例如Rigetti、IonQ等；第三类是国家科研院所，例如美国费米国家实验室（Fermilab）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）、中科院量子信息与量子科技创新研究院；第四类是高水平研究型大学，例如剑桥大学、中国科学技术大学、哈佛大学等。

现在的量子计算机仅能处理某一个或某几个方面的问题，尚未达到通用的程度。量子科技企业不仅需要斥巨资研制量子计算机，还需要拥有诸多研究人员设计制造量子硬件和软件来支持这些机器。

未来，通用量子计算机需要在底层量子物理设备、量子计算机架构、量子资源调度、上层量子程序设计语言、量子算法及量子应用软件等多方面进行努力。以下是量子计算行业典型代表有关量子计算的最新技术和商业进展。

2021年全球量子计算主要参与者地理分布

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