麦肯锡深度解析量子计算将拯救地球？

　　（图片来源：麦肯锡）
　　在2021年联合国气候变化大会（COP26）上，全球各国和多数企业联合制定了最新减排目标（将全球变暖限制在1.5 ）。预计到2030年，全球每年将为之投入4万亿美元以达到该目标，这是人类历史上最大的投资。
　　麦肯锡认为，要实现这一目标，量子计算有望成为主要的技术支撑之一，从而彻底改变人类应对气候变化的方式、实现净零经济发展。
　　有关专家曾指出，根据当前的发展预测，到2050年，全球仅能将升温幅度降低到 1.7 C 到 1.8 C 之间，这远低于1.5 C水平（避免灾难性、失控的气候变化所必需的标准）。换句话来说，应对气候变化的科技技术要实现跨越式进步已迫在眉睫。
　　麦肯锡表示，尽管量子技术处于早期发展阶段，但技术上的突破正在加速，并且随着资本市场涌入、初创量子企业激增，行业发展日新月异。同时，主要的科技公司已经开发出小型、嘈杂的中等规模量子 (NISQ) 计算机，正在加速商用落地， 量子计算可能会改变气候科技领域的游戏规则——创新气候技术。
　　量子计算可能会为整个经济领域带来重大变化，这将对碳减排和零碳行动产生巨大影响。 基于《麦肯锡气候数学报告》列出碳减排的五个关键领域，麦肯锡确定了助力净零经济的量子计算用例。
　　麦肯锡预计，到2035年，与目前的碳减排发展轨迹相比， 量子计算将在以下列出的用例中产生巨大的效应：每年将大气中的二氧化碳当量减少70亿吨，或是在未来的三十年中将二氧化碳当量减少1500亿吨。
　　图1（图片来源：麦肯锡）
　　本文中，麦肯锡介绍了量子计算技术将能产生突破性的领域，并尝试量化量子计算技术的影响。
　　转变1：让生活充满活力  电池
　　电池是实现零碳电气化的关键要素。 这不仅要求在交通运输过程中减少二氧化碳排放，并且能够支持风能和太阳能等间歇性可再生能源接入电网规模实现能量存储。
　　其中，提高锂离子电池的能量密度可降低其在电动汽车和储能应用场景中的成本。然而，在过去十年中，锂离子电池技术的创新停滞不前，在2011-2016年间，锂离子电池的能量密度提高了50%，而在2016-2020 年间仅提高了25%，预计在2020-2025年间将仅提高17%。
　　根据最近的研究表明，通过更高效地分析电解质复合物的形成、寻找具有相同特性/消除电池隔膜的替代材料，量子计算将能以前所未有的方式胜任模拟电池化学性质的任务。
　　麦肯锡认为，我们可以制造能量密度高出50%的电池，用于重型电动汽车，从而大大提高其经济用途。然而在第一代量子计算机上线之前，（能量密度高出50%的电池）在乘用电动汽车的碳效益中表现不明显。
　　此外，更高密度的能量电池可以作为电网规模的存储解决方案，对世界电网产生变革性影响。正如当将电网级储能的成本降低一半时，太阳能的使用情况将会发生重大变化。这是因为太阳能在经济上正变得越来越有竞争力，但其发电结构正面临挑战。
　　麦肯锡的模型表明，到2050年，将太阳能电池板的成本减半可以将其在欧洲的使用量增加 25%，而将太阳能和太阳能电池成本减半将增加 60%（图表 2）。并且，在低碳价格的地区将会受到更大的影响。
　　图2（图片来源：麦肯锡）
　　基于用例的组合，麦肯锡预计到2035年，由改进电池产生的二氧化碳排放量减少规模可达到 1.4 千兆吨。
　　转变2：调整工业运营
　　水泥
　　在工业行业中，许多部分产生的排放要么极其昂贵，要么就是在原材料方面难以减少。
　　水泥就是一个例子。在用于制造熟料（用于制造水泥的粉末）的窑中煅烧过程中，二氧化碳会从原材料中释放出来，而这一过程中产生的排放量约占水泥生产整体排放中的三分之二。
　　寻找到水泥熟料的替代品可以消除这些排放，但目前为止尚未发现有可承受的原材料以显著减少排放。
　　基于原材料的结构存在多种分子排列方式，通过反复试验以寻找答案的方式费时费力。 量子计算则可以帮助模拟理论材料组合，以找到一种高耐温性、可用性且抗风化的原材料替代。一旦得到应用，到2035年，这将每年缩减碳排放量10亿吨。
　　转变3：使电力和燃料碳减排
　　太阳能电池
　　太阳能电池将成为净零经济中的主要发电来源之一。 但尽管将成本降低，它们仍远未发挥出理论上的最大效率。
　　当前的太阳能电池依赖于晶体硅，其效率约为20%。而从理论上讲，基于钙钛矿晶体结构的太阳能电池效率高达40%，将是更好的选择。但因为钙钛矿缺乏长期的稳定性，并且一些材料中存在强毒性，所以该技术尚未量产。
　　量子计算将通过对不同原子和对所有组合中掺杂的钙钛矿结构进行精确模拟，从而帮助解决这些挑战，并确定更高效率、更高耐用性和无毒的解决方案。如果能够达到理论效率的提升，平准化度电成本（LCOE）将降低 50%。
　　通过模拟使用更便宜、更高效的量子太阳能电池板，我们看到碳价格较低的地区（例如中国）的使用量显著增加。欧洲辐照度高的国家（西班牙、希腊）或风能条件差的国家（匈牙利）也是如此。如上所述，当与廉价的电池存储相结合时，影响会被放大。
　　预计到2035年，这项技术可以额外减少4亿吨的二氧化碳排放量。
　　氢
　　在众多经济领域，氢被广泛认为是化石燃料的可行替代品，特别是在需要高温而电气化不可能或不足以实现的行业，或者需要氢作为原料的行业，比如炼钢或乙烯生产。
　　在2022年天然气价格飙升之前，绿色氢气比天然气贵约60%，但通过改进电解技术将显著降低氢气的生产成本。
　　其中，聚合物电解质膜 (PEM) 设备中的电解槽可以利用电能从水中提取氢气，是制造绿色氢的一种方法。该技术最近已有改善，但仍面临两大挑战。
　　1、没有达到应有的效率。我们知道，在实验室环境中，＂脉冲＂电流是让电流持续运转从而提高效率，但现今还不足以让它大规模工作。
　　2、电解槽膜和过程催化剂还不能很好地相互作用。现在随着制造催化剂的效率越高，它对膜的磨损就越多。这并非绝对，但因为缺乏对相互作用的认知，从而无法设计出更好的膜和催化剂。
　　量子计算可以帮助模拟脉冲电解的能量状态，以优化催化剂的使用，从而提高效率。量子计算还可以模拟催化剂和膜的化学成分，以确保最有效的相互作用。它可以将电解过程的效率提高到100%，并将氢气的生产成本降低35%。如果结合量子计算可以发现更便宜的太阳能电池（如上所述），氢气的生产成本则可降低60%。
　　图3（图片来源：麦肯锡）
　　预计到2035 年，随着生产技术的改进带来氢气使用量的增加，将可减少二氧化碳排放量约11亿吨。
　　氨
　　氨以作为肥料而闻名，同时它也可用作燃料，从而成为全球船舶运输行业中最好的碳减排解决方案之一。如今，氨占据这全球能源消耗总量的2%。
　　目前，氨是通过使用天然气能源密集型的Haber-Bosch工艺制成的。制造绿色氨有多种选择，但它们同样依赖于类似的过程。例如，绿色氢可以用作原料，或者在这个过程中排放的二氧化碳可以被捕获和储存。
　　然而，还有其他潜在的方法，例如固氮酶生物电催化，植物可直接从空气中吸收氮气并且固氮酶催化其转化为氨。这种方法很有吸引力，因为它可以在室温和1 bar的压力下完成，而使用Haber-Bosch工艺在500 C的高压下会消耗大量能量（以天然气的形式）。
　　图4（图片来源：麦肯锡）
　　创新已经走到了人工复制固氮技术的阶段，但前提是我们能够克服酶稳定性、氧敏感性和固氮酶产氨率低等挑战。现在这个概念尚在实验室阶段。
　　量子计算可以帮助模拟增强酶稳定性、保护酶免受氧气影响以及提高固氮酶产氨速率的过程。 与今天通过电解生产的绿色氨相比，这将降低67%的成本，并且绿色氨相比于传统生产方式成本更低。这种成本的降低不仅可以减少农业用氨中的碳排放影响，而且还可以将氨应用于航运中从而将碳平衡提前十年实现（预计将成为主要的碳减排选择方式）。
　　由量子计算促进更低成本的绿色氨作为运输燃料，预计到2030年可以额外减少碳排放达4亿吨。
　　转变 4：加强碳捕获和封存活动
　　碳捕集是实现净零排放所必需的方式。点源和直接这两种类型的碳捕获方式都可以通过量子计算来辅助。
　　点源捕获
　　点源碳捕获允许直接从工业来源（例如水泥或钢铁高炉）中捕获二氧化碳。但绝大多数的碳捕获成本较高，因其耗能大所以目前可行性不高。
　　一种可能的解决方案：采用新型溶剂，如贫水和多相溶剂，可降低能量要求，但这种方式很难在分子水平上预测潜在材料的性质。
　　量子计算有望实现更精确的分子结构建模，从而为一系列碳点源捕获设计新的有效溶剂，从而将工艺成本降低30%至50%。
　　我们认为，这具有实现工业流程中碳减排的巨大潜力，由此将每年额外碳去除量增加15亿吨。包括水泥，如果上述水泥熟料方法成功，并且燃料排放减少，将会产生每年5亿吨的碳减排。
　　直接空气捕获
　　直接空气捕获，包括从空气中吸入二氧化碳，是解决碳去除问题的一种方法。虽然政府气候变化专门委员会表示，这种方法是实现净零排放所必需的路径，但它非常昂贵（今天每吨每天250美元到600美元不等），甚至比点源捕获更耗能。
　　吸附剂是最适合有效的直接空气捕获和新方法，例如金属有机框架或MOF，有可能大大降低基础设施的能源需求和资金成本。MOF就像一块巨大的海绵（小至一克的表面积就比足球场还大），可以在比传统技术低得多的温度变化下吸收和释放二氧化碳。
　　量子计算可以帮助推进MOF等新型吸附剂的研究并解决因二氧化碳引起的氧化、水和降解的敏感性挑战。
　　采用更高吸附率的新型吸附剂可以将技术成本降低到100美元/吨。鉴于像微软这样的企业气已公开宣布将长期支付每吨100美元的价格以获得最高质量的碳减排，100美元/吨可能是一个关键的门槛。由此产生的碳减排，预计到2035年每年将达到7亿吨。
　　转变 5：改革粮食和林业
　　数据显示，每年20%的碳排放量来自农业，其中由奶牛排放的甲烷是主要贡献者（7.9 千兆吨，基于20年的全球变暖潜能值）。
　　研究表明，低甲烷饲料添加剂可以有效阻止高达90%的甲烷排放。但将这些添加剂应用于散养牲畜尤其困难。
　　另一种解决方案是生产出具有甲烷菌抗体的抗甲烷疫苗。目前这种方法在实验室条件下取得了一些成功，但在牛的肠道运动中，抗体难以锁定正确的微生物。
　　量子计算可以加速研究，通过精确的分子模拟而不是用昂贵且漫长的试错法来寻找合适的抗体。根据美国环境保护署确定的估计吸收量数据，到2035年，由此产生的碳减排量将达到每年10亿吨以上。
　　农业中另一个突出的用例是作为燃料的绿色氨。到2035年，采纳减少天然气使用的替代工艺将在每年产生高达2.5亿吨的额外碳减排量。
　　其他用例
　　量子计算可以通过更多方式应用于应对气候变化。未来将包括识别新的蓄热材料、高温超导体作为未来降低电网损耗的基础，或支持核聚变模拟。用例不会仅限于减缓气候变化，还可以应用于其他方面，例如，改进天气预报的精准度。
　　企业的机会
　　碳减排的飞跃性进展可能是摆在企业面前的重大机遇。
　　根据麦肯锡的研究， 在可持续发展方面的企业级市场可达到3到5万亿美元规模，气候投资对于大公司来说是当务之急 。以上用例代表了这些领域将面临的重大转变和潜在的破坏性，同样蕴含着巨大机会潜力。这个机会得到了已经入局的行业领导者的认可。
　　（图片来源：麦肯锡）
　　尽管量子技术仍处于早期阶段，并伴随着与前沿技术发展相关的风险以及巨大的成本，但为这些企业投资以及帮助其扩大规模，是有价值的。
　　此外，政府可以发挥重要作用，通过在大学创建计划以培养量子人才，并为气候方面的量子创新提供激励措施，特别是对于当今没有自然企业合作伙伴的用例，例如灾难预测；或不经济，例如直接空气捕获。政府可以启动更多研究计划，例如IBM和英国之间的合作伙伴关系，IBM与德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会之间的合作，荷兰的公私合作项目Quantum Delta，以及英美两国间的合作等。通过利用量子计算技术实现可持续发展，各国将加速绿色转型，实现国家承诺，并在出口市场上抢占先机。
　　原文链接：
　　https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet
　　文：Peter Cooper等
　　编译：李每
　　编辑：慕一
　　注：本文编译自＂麦肯锡＂，不代表量子前哨观点。