量子計算與環(huán)境保護的關系

劉方雷

任何需要優(yōu)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(fā)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(yōu)化城市規(guī)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(huán)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(fā)表的一項研究，一臺量子計算機執(zhí)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(jié)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(yè)機器公司（IBM）開發(fā)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(yè)用途。量子計算機發(fā)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(tài)。然而，電子對外界環(huán)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(huán)境中完成的，這個環(huán)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(tài)，保持電子在這樣的溫度下有助于它們保持穩(wěn)定和較少受外界環(huán)境的影響。這是一種減少退相干現象發(fā)生的方法。然而，當退相干發(fā)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(fā)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(tǒng)計算機無法完成的人體分子數據來開發(fā)治療不同不治之癥的藥物，到優(yōu)化城市、國家甚至世界的能源效率。