（圖片來源：麥肯錫）
在2021年聯合國氣候變化大會（COP26）上，全球各國和多數企業聯合制定了最新減排目標（將全球變暖限制在1.5℃）。預計到2030年，全球每年將為之投入4萬億美元以達到該目標，這是人類歷史上最大的投資。
麥肯錫認為，要實現這一目標，量子計算有望成為主要的技術支撐之一，從而徹底改變人類應對氣候變化的方式、實現淨零經濟發展。
有關專家曾指出，根據當前的發展預測，到2050年，全球僅能將升溫幅度降低到 1.7°C 到 1.8°C 之間，這遠低於1.5°C水平（避免災難性、失控的氣候變化所必需的標準）。換句話來說，應對氣候變化的科技技術要實現跨越式進步已迫在眉睫。
麥肯錫表示，儘管量子技術處於早期發展階段，但技術上的突破正在加速，並且隨著資本市場湧入、初創量子企業激增，行業發展日新月異。同時，主要的科技公司已經開發出小型、嘈雜的中等規模量子 (NISQ) 計算機，正在加速商用落地，量子計算可能會改變氣候科技領域的遊戲規則——創新氣候技術。
量子計算可能會為整個經濟領域帶來重大變化，這將對碳減排和零碳行動產生巨大影響。基於《麥肯錫氣候數學報告》列出碳減排的五個關鍵領域，麥肯錫確定了助力淨零經濟的量子計算用例。
麥肯錫預計，到2035年，與目前的碳減排發展軌跡相比，量子計算將在以下列出的用例中產生巨大的效應：每年將大氣中的二氧化碳當量減少70億噸，或是在未來的三十年中將二氧化碳當量減少1500億噸。
圖1（圖片來源：麥肯錫）
本文中，麥肯錫介紹了量子計算技術將能產生突破性的領域，並嘗試量化量子計算技術的影響。
轉變1：讓生活充滿活力
- 電池
電池是實現零碳電氣化的關鍵要素。這不僅要求在交通運輸過程中減少二氧化碳排放，並且能夠支持風能和太陽能等間歇性可再生能源接入電網規模實現能量存儲。
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用場景中的成本。然而，在過去十年中，鋰離子電池技術的創新停滯不前，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%，預計在2020-2025年間將僅提高17%。
根據最近的研究表明，通過更高效地分析電解質複合物的形成、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性質的任務。
麥肯錫認為，我們可以製造能量密度高出50%的電池，用於重型電動汽車，從而大大提高其經濟用途。然而在第一代量子計算機上線之前，（能量密度高出50%的電池）在乘用電動汽車的碳效益中表現不明顯。
此外，更高密度的能量電池可以作為電網規模的存儲解決方案，對世界電網產生變革性影響。正如當將電網級儲能的成本降低一半時，太陽能的使用情況將會發生重大變化。這是因為太陽能在經濟上正變得越來越有競爭力，但其發電結構正面臨挑戰。
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）。並且，在低碳價格的地區將會受到更大的影響。
圖2（圖片來源：麥肯錫）
基於用例的組合，麥肯錫預計到2035年，由改進電池產生的二氧化碳排放量減少規模可達到 1.4 千兆噸。
轉變2：調整工業運營
- 水泥
在工業行業中，許多部分產生的排放要麼極其昂貴，要麼就是在原材料方面難以減少。
水泥就是一個例子。在用於製造熟料（用於製造水泥的粉末）的窯中煅燒過程中，二氧化碳會從原材料中釋放出來，而這一過程中產生的排放量約占水泥生產整體排放中的三分之二。
尋找到水泥熟料的替代品可以消除這些排放，但目前為止尚未發現有可承受的原材料以顯著減少排放。
基於原材料的結構存在多種分子排列方式，通過反覆試驗以尋找答案的方式費時費力。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、可用性且抗風化的原材料替代。一旦得到應用，到2035年，這將每年縮減碳排放量10億噸。
轉變3：使電力和燃料碳減排
- 太陽能電池
太陽能電池將成為淨零經濟中的主要發電來源之一。但儘管將成本降低，它們仍遠未發揮出理論上的最大效率。
當前的太陽能電池依賴於晶體矽，其效率約為20%。而從理論上講，基於鈣鈦礦晶體結構的太陽能電池效率高達40%，將是更好的選擇。但因為鈣鈦礦缺乏長期的穩定性，並且一些材料中存在強毒性，所以該技術尚未量產。
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構進行精確模擬，從而幫助解決這些挑戰，並確定更高效率、更高耐用性和無毒的解決方案。如果能夠達到理論效率的提升，平準化度電成本（LCOE）將降低 50%。
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（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）或風能條件差的國家（匈牙利）也是如此。如上所述，當與廉價的電池存儲相結合時，影響會被放大。
預計到2035年，這項技術可以額外減少4億噸的二氧化碳排放量。
- 氫
在眾多經濟領域，氫被廣泛認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現的行業，或者需要氫作為原料的行業，比如煉鋼或乙烯生產。
在2022年天然氣價格飆升之前，綠色氫氣比天然氣貴約60%，但通過改進電解技術將顯著降低氫氣的生產成本。
其中，聚合物電解質膜 (PEM) 設備中的電解槽可以利用電能從水中提取氫氣，是製造綠色氫的一種方法。該技術最近已有改善，但仍面臨兩大挑戰。
1、沒有達到應有的效率。我們知道，在實驗室環境中，「脈衝」電流是讓電流持續運轉從而提高效率，但現今還不足以讓它大規模工作。
2、電解槽膜和過程催化劑還不能很好地相互作用。現在隨著製造催化劑的效率越高，它對膜的磨損就越多。這並非絕對，但因為缺乏對相互作用的認知，從而無法設計出更好的膜和催化劑。
量子計算可以幫助模擬脈衝電解的能量狀態，以優化催化劑的使用，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%，並將氫氣的生產成本降低35%。如果結合量子計算可以發現更便宜的太陽能電池（如上所述），氫氣的生產成本則可降低60%。
圖3（圖片來源：麥肯錫）
預計到2035 年，隨著生產技術的改進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輸行業中最好的碳減排解決方案之一。如今，氨占據這全球能源消耗總量的2%。
目前，氨是通過使用天然氣能源密集型的Haber-Bosch工藝製成的。製造綠色氨有多種選擇，但它們同樣依賴於類似的過程。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。
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氣並且固氮酶催化其轉化為氨。這種方法很有吸引力，因為它可以在室溫和1 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）。
圖4（圖片來源：麥肯錫）
創新已經走到了人工複製固氮技術的階段，但前提是我們能夠克服酶穩定性、氧敏感性和固氮酶產氨率低等挑戰。現在這個概念尚在實驗室階段。
量子計算可以幫助模擬增強酶穩定性、保護酶免受氧氣影響以及提高固氮酶產氨速率的過程。與今天通過電解生產的綠色氨相比，這將降低67%的成本，並且綠色氨相比於傳統生產方式成本更低。這種成本的降低不僅可以減少農業用氨中的碳排放影響，而且還可以將氨應用於航運中從而將碳平衡提前十年實現（預計將成為主要的碳減排選擇方式）。
由量子計算促進更低成本的綠色氨作為運輸燃料，預計到2030年可以額外減少碳排放達4億噸。
轉變 4：加強碳捕獲和封存活動
碳捕集是實現淨零排放所必需的方式。點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。
- 點源捕獲
點源碳捕獲允許直接從工業來源（例如水泥或鋼鐵高爐）中捕獲二氧化碳。但絕大多數的碳捕獲成本較高，因其耗能大所以目前可行性不高。
一種可能的解決方案：採用新型溶劑，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測潛在材料的性質。
量子計算有望實現更精確的分子結構建模，從而為一系列碳點源捕獲設計新的有效溶劑，從而將工藝成本降低30%至50%。
我們認為，這具有實現工業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，並且燃料排放減少，將會產生每年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，這種方法是實現淨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），甚至比點源捕獲更耗能。
吸附劑是最適合有效的直接空氣捕獲和新方法，例如金屬有機框架或MOF，有可能大大降低基礎設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），可以在比傳統技術低得多的溫度變化下吸收和釋放二氧化碳。
量子計算可以幫助推進MOF等新型吸附劑的研究並解決因二氧化碳引起的氧化、水和降解的敏感性挑戰。
採用更高吸附率的新型吸附劑可以將技術成本降低到100美元/噸。鑑於像微軟這樣的企業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量的碳減排，100美元/噸可能是一個關鍵的門檻。由此產生的碳減排，預計到2035年每年將達到7億噸。
轉變 5：改革糧食和林業
數據顯示，每年20%的碳排放量來自農業，其中由奶牛排放的甲烷是主要貢獻者（7.9 千兆噸，基於20年的全球變暖潛能值）。
研究表明，低甲烷飼料添加劑可以有效阻止高達90%的甲烷排放。但將這些添加劑應用於散養牲畜尤其困難。
另一種解決方案是生產出具有甲烷菌抗體的抗甲烷疫苗。目前這種方法在實驗室條件下取得了一些成功，但在牛的腸道運動中，抗體難以鎖定正確的微生物。
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。根據美國環境保護署確定的估計吸收量數據，到2035年，由此產生的碳減排量將達到每年10億噸以上。
農業中另一個突出的用例是作為燃料的綠色氨。到2035年，採納減少天然氣使用的替代工藝將在每年產生高達2.5億噸的額外碳減排量。
- 其他用例
量子計算可以通過更多方式應用於應對氣候變化。未來將包括識別新的蓄熱材料、高溫超導體作為未來降低電網損耗的基礎，或支持核聚變模擬。用例不會僅限於減緩氣候變化，還可以應用於其他方面，例如，改進天氣預報的精準度。
企業的機會
碳減排的飛躍性進展可能是擺在企業面前的重大機遇。
根據麥肯錫的研究，在可持續發展方面的企業級市場可達到3到5萬億美元規模，氣候投資對於大公司來說是當務之急。以上用例代表了這些領域將面臨的重大轉變和潛在的破壞性，同樣蘊含著巨大機會潛力。這個機會得到了已經入局的行業領導者的認可。
（圖片來源：麥肯錫）
儘管量子技術仍處於早期階段，並伴隨著與前沿技術發展相關的風險以及巨大的成本，但為這些企業投資以及幫助其擴大規模，是有價值的。
此外，政府可以發揮重要作用，通過在大學創建計劃以培養量子人才，並為氣候方面的量子創新提供激勵措施，特別是對於當今沒有自然企業合作夥伴的用例，例如災難預測；或不經濟，例如直接空氣捕獲。政府可以啟動更多研究計劃，例如IBM和英國之間的合作夥伴關係，IBM與德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會之間的合作，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實現可持續發展，各國將加速綠色轉型，實現國家承諾，並在出口市場上搶占先機。
原文連結：
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
註：本文編譯自「麥肯錫」，不代表量子前哨觀點。