量子計算與環境保護的關系

劉方雷

任何需要優化的領域都可以采用量子計算，它可以是關于提高能源的性能，也可以是關于開發一個能源消耗最小化的智慧城市。

一個例子是二次分配問題（QAP），這是一個經典計算機表現不佳的數學問題。假設有個設施和個位置，并且需要在每個位置配置一個設施以最小化能源消耗。從邏輯上講，如果需要經常在2個設施之間運輸大量貨物，我們希望將它們放置得更近，反之亦然。

一項研究通過提供來自20個設施和位置的數據，比較了量子計算機和經典計算機在解決二次分配問題方面的性能。因此，量子計算機在大約700 s秒內產生了準確的答案，而經典計算機卻未能在12 h的時間限制內完成。這項研究證明了量子計算在優化城市規劃，以最大程度地減少能源消耗方面的巨大潛力。

除了功能之外，量子計算本身也是一項環保技術。根據美國國家航空航天局（NASA）、谷歌和橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）聯合發表的一項研究，一臺量子計算機執行相同任務所需的能量僅為經典計算機消耗的0.002 %。計算機消耗的能量巨大，不包括普通的個人電腦和智能手機消耗的能量，數據中心本身已經占到全球電力的1 %以上。如果數據以量子比特的形式存儲，就能節省大量的能量。

現在世界上最強大的量子計算機是由國際商業機器公司（IBM）開發的具有127個量子比特容量的Eagle。然而，科學家們認為，如果量子計算機的容量不能達到至少1 000個量子比特，那么就沒有商業用途。量子計算機發展緩慢主要是由于建造它們的技術困難。

科學家們被要求操縱和電子一樣小的粒子來制造量子比特。電子需要保持相干性，這意味著電子波可以相互干擾的狀態。然而，電子對外界環境非常敏感，比如噪音和溫度。因此，量子位的制造通常是在一個與外界隔絕的環境中完成的，這個環境在絕對零度附近運行。由于原子的運動處于絕對零度的最低能量狀態，保持電子在這樣的溫度下有助于它們保持穩定和較少受外界環境的影響。這是一種減少退相干現象發生的方法。然而，當退相干發生時，由于外部干擾可能會破壞其他電子剩余的相干性，我們仍然沒有一個明確的方法來糾正退相干。

雖然量子計算還處于發展階段，但自20世紀80年代作為一種理論誕生以來，我們已經見證了該領域的巨大進步。量子計算可能是人類下一個最大的進步，從追蹤傳統計算機無法完成的人體分子數據來開發治療不同不治之癥的藥物，到優化城市、國家甚至世界的能源效率。