（圖片來源：麥肯錫）

在2021年聯(lián)合國氣候變化大會（COP26）上，全球各國和多數(shù)企業(yè)聯(lián)合制定了最新減排目標(biāo)（將全球變暖限制在1.5℃）。預(yù)計到2030年，全球每年將為之投入4萬億美元以達(dá)到該目標(biāo)，這是人類歷史上最大的投資。

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麥肯錫認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，量子計算有望成為主要的技術(shù)支撐之一，從而徹底改變?nèi)祟悜?yīng)對氣候變化的方式、實(shí)現(xiàn)凈零經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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有關(guān)專家曾指出，根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展預(yù)測，到2050年，全球僅能將升溫幅度降低到 1.7°C 到 1.8°C 之間，這遠(yuǎn)低于1.5°C水平（避免災(zāi)難性、失控的氣候變化所必需的標(biāo)準(zhǔn)）。換句話來說，應(yīng)對氣候變化的科技技術(shù)要實(shí)現(xiàn)跨越式進(jìn)步已迫在眉睫。

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麥肯錫表示，盡管量子技術(shù)處于早期發(fā)展階段，但技術(shù)上的突破正在加速，并且隨著資本市場涌入、初創(chuàng)量子企業(yè)激增，行業(yè)發(fā)展日新月異。同時，主要的科技公司已經(jīng)開發(fā)出小型、嘈雜的中等規(guī)模量子 (NISQ) 計算機(jī)，正在加速商用落地，量子計算可能會改變氣候科技領(lǐng)域的游戲規(guī)則——創(chuàng)新氣候技術(shù)。

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量子計算可能會為整個經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域帶來重大變化，這將對碳減排和零碳行動產(chǎn)生巨大影響。基于《麥肯錫氣候數(shù)學(xué)報告》列出碳減排的五個關(guān)鍵領(lǐng)域，麥肯錫確定了助力凈零經(jīng)濟(jì)的量子計算用例。

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麥肯錫預(yù)計，到2035年，與目前的碳減排發(fā)展軌跡相比，量子計算將在以下列出的用例中產(chǎn)生巨大的效應(yīng)：每年將大氣中的二氧化碳當(dāng)量減少70億噸，或是在未來的三十年中將二氧化碳當(dāng)量減少1500億噸。

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圖1（圖片來源：麥肯錫）

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本文中，麥肯錫介紹了量子計算技術(shù)將能產(chǎn)生突破性的領(lǐng)域，并嘗試量化量子計算技術(shù)的影響。

轉(zhuǎn)變1：讓生活充滿活力

• 電池

電池是實(shí)現(xiàn)零碳電氣化的關(guān)鍵要素。這不僅要求在交通運(yùn)輸過程中減少二氧化碳排放，并且能夠支持風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源接入電網(wǎng)規(guī)模實(shí)現(xiàn)能量存儲。

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其中，提高鋰離子電池的能量密度可降低其在電動汽車和儲能應(yīng)用場景中的成本。然而，在過去十年中，鋰離子電池技術(shù)的創(chuàng)新停滯不前，在2011-2016年間，鋰離子電池的能量密度提高了50%，而在2016-2020 年間僅提高了25%，預(yù)計在2020-2025年間將僅提高17%。

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根據(jù)最近的研究表明，通過更高效地分析電解質(zhì)復(fù)合物的形成、尋找具有相同特性/消除電池隔膜的替代材料，量子計算將能以前所未有的方式勝任模擬電池化學(xué)性質(zhì)的任務(wù)。

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麥肯錫認(rèn)為，我們可以制造能量密度高出50%的電池，用于重型電動汽車，從而大大提高其經(jīng)濟(jì)用途。然而在第一代量子計算機(jī)上線之前，（能量密度高出50%的電池）在乘用電動汽車的碳效益中表現(xiàn)不明顯。

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此外，更高密度的能量電池可以作為電網(wǎng)規(guī)模的存儲解決方案，對世界電網(wǎng)產(chǎn)生變革性影響。正如當(dāng)將電網(wǎng)級儲能的成本降低一半時，太陽能的使用情況將會發(fā)生重大變化。這是因?yàn)樘柲茉诮?jīng)濟(jì)上正變得越來越有競爭力，但其發(fā)電結(jié)構(gòu)正面臨挑戰(zhàn)。

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麥肯錫的模型表明，到2050年，將太陽能電池板的成本減半可以將其在歐洲的使用量增加 25%，而將太陽能和太陽能電池成本減半將增加 60%（圖表 2）。并且，在低碳價格的地區(qū)將會受到更大的影響。

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圖2（圖片來源：麥肯錫）

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基于用例的組合，麥肯錫預(yù)計到2035年，由改進(jìn)電池產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少規(guī)?？蛇_(dá)到 1.4 千兆噸。

轉(zhuǎn)變2：調(diào)整工業(yè)運(yùn)營

• 水泥

在工業(yè)行業(yè)中，許多部分產(chǎn)生的排放要么極其昂貴，要么就是在原材料方面難以減少。

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水泥就是一個例子。在用于制造熟料（用于制造水泥的粉末）的窯中煅燒過程中，二氧化碳會從原材料中釋放出來，而這一過程中產(chǎn)生的排放量約占水泥生產(chǎn)整體排放中的三分之二。

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尋找到水泥熟料的替代品可以消除這些排放，但目前為止尚未發(fā)現(xiàn)有可承受的原材料以顯著減少排放。

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基于原材料的結(jié)構(gòu)存在多種分子排列方式，通過反復(fù)試驗(yàn)以尋找答案的方式費(fèi)時費(fèi)力。量子計算則可以幫助模擬理論材料組合，以找到一種高耐溫性、可用性且抗風(fēng)化的原材料替代。一旦得到應(yīng)用，到2035年，這將每年縮減碳排放量10億噸。

轉(zhuǎn)變3：使電力和燃料碳減排

• 太陽能電池

太陽能電池將成為凈零經(jīng)濟(jì)中的主要發(fā)電來源之一。但盡管將成本降低，它們?nèi)赃h(yuǎn)未發(fā)揮出理論上的最大效率。

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當(dāng)前的太陽能電池依賴于晶體硅，其效率約為20%。而從理論上講，基于鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的太陽能電池效率高達(dá)40%，將是更好的選擇。但因?yàn)殁}鈦礦缺乏長期的穩(wěn)定性，并且一些材料中存在強(qiáng)毒性，所以該技術(shù)尚未量產(chǎn)。

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量子計算將通過對不同原子和對所有組合中摻雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確模擬，從而幫助解決這些挑戰(zhàn)，并確定更高效率、更高耐用性和無毒的解決方案。如果能夠達(dá)到理論效率的提升，平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）將降低 50%。

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通過模擬使用更便宜、更高效的量子太陽能電池板，我們看到碳價格較低的地區(qū)（例如中國）的使用量顯著增加。歐洲輻照度高的國家（西班牙、希臘）或風(fēng)能條件差的國家（匈牙利）也是如此。如上所述，當(dāng)與廉價的電池存儲相結(jié)合時，影響會被放大。

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預(yù)計到2035年，這項技術(shù)可以額外減少4億噸的二氧化碳排放量。

• 氫

在眾多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，氫被廣泛認(rèn)為是化石燃料的可行替代品，特別是在需要高溫而電氣化不可能或不足以實(shí)現(xiàn)的行業(yè)，或者需要?dú)渥鳛樵系男袠I(yè)，比如煉鋼或乙烯生產(chǎn)。?

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在2022年天然氣價格飆升之前，綠色氫氣比天然氣貴約60%，但通過改進(jìn)電解技術(shù)將顯著降低氫氣的生產(chǎn)成本。

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其中，聚合物電解質(zhì)膜 (PEM) 設(shè)備中的電解槽可以利用電能從水中提取氫氣，是制造綠色氫的一種方法。該技術(shù)最近已有改善，但仍面臨兩大挑戰(zhàn)。

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1、沒有達(dá)到應(yīng)有的效率。我們知道，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，“脈沖”電流是讓電流持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)從而提高效率，但現(xiàn)今還不足以讓它大規(guī)模工作。??2、電解槽膜和過程催化劑還不能很好地相互作用。現(xiàn)在隨著制造催化劑的效率越高，它對膜的磨損就越多。這并非絕對，但因?yàn)槿狈ο嗷プ饔玫恼J(rèn)知，從而無法設(shè)計出更好的膜和催化劑。

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量子計算可以幫助模擬脈沖電解的能量狀態(tài)，以優(yōu)化催化劑的使用，從而提高效率。量子計算還可以模擬催化劑和膜的化學(xué)成分，以確保最有效的相互作用。它可以將電解過程的效率提高到100%，并將氫氣的生產(chǎn)成本降低35%。如果結(jié)合量子計算可以發(fā)現(xiàn)更便宜的太陽能電池（如上所述），氫氣的生產(chǎn)成本則可降低60%。

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圖3（圖片來源：麥肯錫）

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預(yù)計到2035 年，隨著生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)帶來氫氣使用量的增加，將可減少二氧化碳排放量約11億噸。

• 氨

氨以作為肥料而聞名，同時它也可用作燃料，從而成為全球船舶運(yùn)輸行業(yè)中最好的碳減排解決方案之一。如今，氨占據(jù)這全球能源消耗總量的2%。

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目前，氨是通過使用天然氣能源密集型的Haber-Bosch工藝制成的。制造綠色氨有多種選擇，但它們同樣依賴于類似的過程。例如，綠色氫可以用作原料，或者在這個過程中排放的二氧化碳可以被捕獲和儲存。

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然而，還有其他潛在的方法，例如固氮酶生物電催化，植物可直接從空氣中吸收氮?dú)獠⑶夜痰复呋滢D(zhuǎn)化為氨。這種方法很有吸引力，因?yàn)樗梢栽谑覝睾? bar的壓力下完成，而使用Haber-Bosch工藝在500°C的高壓下會消耗大量能量（以天然氣的形式）。

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圖4（圖片來源：麥肯錫）

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創(chuàng)新已經(jīng)走到了人工復(fù)制固氮技術(shù)的階段，但前提是我們能夠克服酶穩(wěn)定性、氧敏感性和固氮酶產(chǎn)氨率低等挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在這個概念尚在實(shí)驗(yàn)室階段。

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量子計算可以幫助模擬增強(qiáng)酶穩(wěn)定性、保護(hù)酶免受氧氣影響以及提高固氮酶產(chǎn)氨速率的過程。與今天通過電解生產(chǎn)的綠色氨相比，這將降低67%的成本，并且綠色氨相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式成本更低。這種成本的降低不僅可以減少農(nóng)業(yè)用氨中的碳排放影響，而且還可以將氨應(yīng)用于航運(yùn)中從而將碳平衡提前十年實(shí)現(xiàn)（預(yù)計將成為主要的碳減排選擇方式）。

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由量子計算促進(jìn)更低成本的綠色氨作為運(yùn)輸燃料，預(yù)計到2030年可以額外減少碳排放達(dá)4億噸。

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轉(zhuǎn)變 4：加強(qiáng)碳捕獲和封存活動

碳捕集是實(shí)現(xiàn)凈零排放所必需的方式。點(diǎn)源和直接這兩種類型的碳捕獲方式都可以通過量子計算來輔助。

• 點(diǎn)源捕獲

點(diǎn)源碳捕獲允許直接從工業(yè)來源（例如水泥或鋼鐵高爐）中捕獲二氧化碳。但絕大多數(shù)的碳捕獲成本較高，因其耗能大所以目前可行性不高。

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一種可能的解決方案：采用新型溶劑，如貧水和多相溶劑，可降低能量要求，但這種方式很難在分子水平上預(yù)測潛在材料的性質(zhì)。

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量子計算有望實(shí)現(xiàn)更精確的分子結(jié)構(gòu)建模，從而為一系列碳點(diǎn)源捕獲設(shè)計新的有效溶劑，從而將工藝成本降低30%至50%。

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我們認(rèn)為，這具有實(shí)現(xiàn)工業(yè)流程中碳減排的巨大潛力，由此將每年額外碳去除量增加15億噸。包括水泥，如果上述水泥熟料方法成功，并且燃料排放減少，將會產(chǎn)生每年5億噸的碳減排。

• 直接空氣捕獲

直接空氣捕獲，包括從空氣中吸入二氧化碳，是解決碳去除問題的一種方法。雖然政府氣候變化專門委員會表示，這種方法是實(shí)現(xiàn)凈零排放所必需的路徑，但它非常昂貴（今天每噸每天250美元到600美元不等），甚至比點(diǎn)源捕獲更耗能。

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吸附劑是最適合有效的直接空氣捕獲和新方法，例如金屬有機(jī)框架或MOF，有可能大大降低基礎(chǔ)設(shè)施的能源需求和資金成本。MOF就像一塊巨大的海綿（小至一克的表面積就比足球場還大），可以在比傳統(tǒng)技術(shù)低得多的溫度變化下吸收和釋放二氧化碳。

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量子計算可以幫助推進(jìn)MOF等新型吸附劑的研究并解決因二氧化碳引起的氧化、水和降解的敏感性挑戰(zhàn)。

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采用更高吸附率的新型吸附劑可以將技術(shù)成本降低到100美元/噸。鑒于像微軟這樣的企業(yè)氣已公開宣布將長期支付每噸100美元的價格以獲得最高質(zhì)量的碳減排，100美元/噸可能是一個關(guān)鍵的門檻。由此產(chǎn)生的碳減排，預(yù)計到2035年每年將達(dá)到7億噸。

轉(zhuǎn)變 5：改革糧食和林業(yè)

數(shù)據(jù)顯示，每年20%的碳排放量來自農(nóng)業(yè)，其中由奶牛排放的甲烷是主要貢獻(xiàn)者（7.9 千兆噸，基于20年的全球變暖潛能值）。

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研究表明，低甲烷飼料添加劑可以有效阻止高達(dá)90%的甲烷排放。但將這些添加劑應(yīng)用于散養(yǎng)牲畜尤其困難。

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另一種解決方案是生產(chǎn)出具有甲烷菌抗體的抗甲烷疫苗。目前這種方法在實(shí)驗(yàn)室條件下取得了一些成功，但在牛的腸道運(yùn)動中，抗體難以鎖定正確的微生物。

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量子計算可以加速研究，通過精確的分子模擬而不是用昂貴且漫長的試錯法來尋找合適的抗體。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署確定的估計吸收量數(shù)據(jù)，到2035年，由此產(chǎn)生的碳減排量將達(dá)到每年10億噸以上。

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農(nóng)業(yè)中另一個突出的用例是作為燃料的綠色氨。到2035年，采納減少天然氣使用的替代工藝將在每年產(chǎn)生高達(dá)2.5億噸的額外碳減排量。

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• 其他用例

量子計算可以通過更多方式應(yīng)用于應(yīng)對氣候變化。未來將包括識別新的蓄熱材料、高溫超導(dǎo)體作為未來降低電網(wǎng)損耗的基礎(chǔ)，或支持核聚變模擬。用例不會僅限于減緩氣候變化，還可以應(yīng)用于其他方面，例如，改進(jìn)天氣預(yù)報的精準(zhǔn)度。

企業(yè)的機(jī)會

碳減排的飛躍性進(jìn)展可能是擺在企業(yè)面前的重大機(jī)遇。

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根據(jù)麥肯錫的研究，在可持續(xù)發(fā)展方面的企業(yè)級市場可達(dá)到3到5萬億美元規(guī)模，氣候投資對于大公司來說是當(dāng)務(wù)之急。以上用例代表了這些領(lǐng)域?qū)⒚媾R的重大轉(zhuǎn)變和潛在的破壞性，同樣蘊(yùn)含著巨大機(jī)會潛力。這個機(jī)會得到了已經(jīng)入局的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的認(rèn)可。

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?（圖片來源：麥肯錫）

盡管量子技術(shù)仍處于早期階段，并伴隨著與前沿技術(shù)發(fā)展相關(guān)的風(fēng)險以及巨大的成本，但為這些企業(yè)投資以及幫助其擴(kuò)大規(guī)模，是有價值的。

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此外，政府可以發(fā)揮重要作用，通過在大學(xué)創(chuàng)建計劃以培養(yǎng)量子人才，并為氣候方面的量子創(chuàng)新提供激勵措施，特別是對于當(dāng)今沒有自然企業(yè)合作伙伴的用例，例如災(zāi)難預(yù)測；或不經(jīng)濟(jì)，例如直接空氣捕獲。政府可以啟動更多研究計劃，例如IBM和英國之間的合作伙伴關(guān)系，IBM與德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會之間的合作，荷蘭的公私合作項目Quantum Delta，以及英美兩國間的合作等。通過利用量子計算技術(shù)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，各國將加速綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)國家承諾，并在出口市場上搶占先機(jī)。

原文鏈接：

https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

文：Peter Cooper等編譯：李每編輯：慕一
注：本文編譯自“麥肯錫”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。