科技行者量子计算可能是应对气候变化一个意想不到的办法

量子计算可能是应对气候变化一个意想不到的办法

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2021年9月16日 11:44:27 科技行者
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当务之急是加大力度构建可以运行有用算法的大规模量子计算机。

来源:科技行者 2021年9月16日 11:44:27

关键字:量子计算 气候变暖

量子计算可能是应对气候变化一个意想不到的办法

图:Misha Friedman / Contributor / Getty Images 

量子计算有望解决在一天甚至是几分钟内攻克当今最为复杂的一些问题——其中很多问题是使用现有技术无法解决的,例如实现更快更好地设计药物、从全球供应链角度解决差旅问题等等。

因此,这个领域的专家越来越多地把注意力转向利用量子计算机解决我们这个时代最大的挑战之一:气候变化,为此提供解决方案。这看起来是很有道理的。

与我们熟悉的经典计算机不同,量子计算机是为了利用量子物理学的奇怪定律而打造的。工程师们仍在研究如何大规模地做到量子计算,也就是说,目前量子计算机的用途还是很有限的;但可以预期的是,如果一个成熟的设备建成后,将具有指数级的计算能力,并且能够快速解决那些即使是对性能最高的超级计算机来说也需要大量时间和计算资源的问题。

正如Q4Climate(Q4Climate是一个聚集了量子研究和气候科学交叉领域专家的组织)所指出,虽然目前研究领域还无法找到关于量计算机如何应对气候变化挑战的方法。但情况正在慢慢发生变化。例如,领先的量子软件公司Zapata Computing表示,他们的技术可能会对联合国制定的各项可持续发展目标产生影响,从清洁水和卫生设施到可负担得起的清洁能源。

此外,Q4Climate还汇总出了一份报告,其中讨论了量子计算机可以发挥重大作用的一些领域。

需要注意的是,量子计算还是一项新兴技术,甚至都还没有完成任何有用的计算,因此,对任何未来能力的评估都应该是谨慎的。

Q4Climate顾问委员会成员Alexandre Blais表示:“Q4Climate并不是说量子计算将解决气候变化问题,我们要说的是,作为科学家,我们需要注意,看看我们是否可以提供帮助。现阶段,我们只能指出哪些有趣的研究领域,并希望这些领域的专家能够接受挑战。”

以量子模拟为例,量子模拟中包括对由分子构成的系统进行行为预测,这是当前经典计算机特别难以解决的问题,因为许多因素会影响分子相互作用的方式。

现在就有很多公司正在研究量子计算如何用于改进新药或下一代材料的模拟。同时,量子模拟也有助于打造更高效的电池、更好的太阳能电池或风力涡轮机材料,或者甚至是用于实现碳捕获技术的、吸收性更强的催化剂。

在农业方面,量子模拟可以显着降低制造肥料所耗费的电能,而肥料占全球能源的比例高达2%。

Blais表示:“在量子计算机上做量子化学任务仍然是具有挑战性的,但已经被全面研究过,我们知道一旦有了量子计算机,我们就可以期待这个进程会得到加速。我们可以期待着量子计算机能够找到制造肥料的新方法。想象一下,如果我们能够把能耗降低甚至只有百分之几,对于全球范围来说都是将带来巨大的收益。”

量子计算机也有望在高难度的优化任务中有出色表现,Q4Climate也将其作为一个有趣的领域,例如优化电网可以节省电力和能源,更好地管理交通流量可以减少碳排放等等。

另外,量子技术还可以用于优化碳密集型材料的设计。例如,波士顿咨询集团(BCG)称,生产碳需求量更少、更轻、更坚固、更好的绝缘材料,可以减少建筑物、运输或金属(如水泥)生产的排放量。

因此,量子计算机可能是设计气候变化解决方案的一个关键工具,这对环境可能是大有益处的。

无论量子计算是否被用于与气候相关的计算,它都有望显着提高计算速度,这意味着,即使运行最复杂的程序,所需的资源也会有所降低。

普通计算机上运行的工作负载通常都是能好密集型的,而且只会随着工作负载量的增加而消耗更多资源。“就人工智能而言,一项训练工作在整个生命周期中消耗的碳足迹相当于五辆汽车。这是相当巨大的,”IBM研究员Tamar Eilam表示,目前他正在致力于研究减少云计算给环境带来影响的方法。

有研究表明,那些性能评分最高的深度学习模型,通常也是计算密集型的,因为需要消耗大量的数据。发现一种算法的生命周期,会产生相当于284,000公斤的二氧化碳,这是美国汽车平均生命周期排放量(包括制造过程)的近5倍。

简而言之,量子计算机可以大幅削减这些数字。Eilam表示:“因为计算所需的时间缩短了,所以能耗方面也会更加高效。对于给定的计算来说,如果你能用量子计算机更快地解决它,那么就能让你降低能耗。”

当然,还有很多其他因素:比如谷歌和IBM开发的量子计算机(被称为超导量子计算机)对冷却要求严格,需要保持在比外太空更冷的温度下。

但该领域的早期研究似乎表明,量子计算机的整体能耗将低于经典设备。例如,D-Wave的2000Q量子计算机的功耗比IBM Summit超级计算机低四个数量级,后者是世界上最强大的计算系统之一。

同样地,美国橡树岭国家实验室的科学家计算出量子计算机有可能将能源使用量降低100多万千瓦时。

在通过实际使用量子计算技术证实这些数据之前,我们还有很多研究要做。随着量子计算机的体积不断增加,将会有更多参数可以用来确定量子计算机在减少碳足迹方面发挥的作用,例如耗水量以及芯片制造中使用可再生材料等等。

但即使作为一名来自量子计算领域之外的科学家,Eilam也对量子计算机在减少数字世界对环境影响方面的潜力寄予厚望。

Eilam说:“我不是量子计算方面的专家,但我在可持续性领域工作,量子计算确实是我们正在研究的一种解决方案。我们不应该把赌注押在一种技术上,但我们绝对应该考虑多种不同的途径,并在探索这些途径时冒一些险。”

最大的风险来自时间线:量子计算可能需要十年时间才能开始兑现承诺——如果真的能兑现的话。鉴于气候挑战的紧迫性,这个时间似乎太长了。

量子科学家意识到这一点,而且很少有人会坚持捍卫量子计算是气候变化最终解决方案的说法。相反,从长远来看,量子计算被视为是有助于环保工作的一种潜在工具。

“不幸的是,气候变化是一个长期问题,如果我们现在采取行动,10年、20年、甚至40年之后我们仍将不得不关注这个问题,这是我们正在考虑的时间表。”

因此,当务之急是加大力度构建可以运行有用算法的大规模量子计算机——这是政府和公司大力投资的目标,而且他们在这方面也相当活跃。

不过下个阶段也可能是难度更高的阶段,将要激励量子研究团队将他们的成果应用于以气候为重点的量子计算机应用场景。其潜力是存在的,结果可能是改变游戏规则的,但是将其付诸现实却是说起来容易做起来难。