量子計算是指基于量子物理學(xué)的一種新的計算形式。它有望在處理數(shù)據(jù)和從中得到優(yōu)化方面超過傳統(tǒng)計算機。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域，包括提高能源性能和優(yōu)化城市規(guī)劃。 

什么是量子計算？

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫慕?jīng)典計算機對人類的發(fā)展是有益的。然而，它們正慢慢地被越來越復(fù)雜的機器所取代。

經(jīng)典計算機無法解決的一個問題是優(yōu)化。例如，有多少種可能的組合來配置 10 個人圍著一張桌子的座位？答案是相當于大約 360 萬個組合。當座位數(shù)量不斷增加時，可能的組合數(shù)量會成倍增加。為了找到座位的最佳布置，我們首先需要一個確定最佳布置的標準列表。然而，最耗費精力和時間的部分是經(jīng)典計算機需要模擬每種組合才能生成結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)的規(guī)模，經(jīng)典計算機可能需要很長時間才能生成結(jié)果。然而，量子計算機有可能在幾分鐘內(nèi)解決問題。

經(jīng)典計算機的基本信息單位稱為二進制數(shù)字，也通常稱為“位”。一位是“1”或“0”。如果連續(xù)有兩個位，就會有四種可能的組合——00、01、10和11。因此，經(jīng)典計算機需要模擬四次才能產(chǎn)生結(jié)果。

另一方面，量子計算機的基本信息單位稱為“量子比特”。一個量子比特既不是“1”也不是“0”。相反，它存在于“1”和“0”的疊加中。換言之，它同時是“1”和“0”。因此，連續(xù)的兩個量子比特處于四種狀態(tài)的疊加態(tài)——00、01、10 和 11。為什么它具有革命性？處于所有狀態(tài)的疊加狀態(tài)表明，理論上，量子計算機只需要模擬一次即可生成結(jié)果。只需幾次嘗試，即可在超過 360 萬種組合中找到 10 個座位的最佳布置。

量子計算與環(huán)境保護有何關(guān)系？

任何需要優(yōu)化的領(lǐng)域都可以采用量子計算；它可以是關(guān)于提高能源的性能，也可以是關(guān)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(jīng)典計算機表現(xiàn)不佳的數(shù)學(xué)問題。假設(shè)有n個設(shè)施和n個位置，并且您需要在每個位置配置一個設(shè)施以最小化能源消耗。從邏輯上講，如果我們需要經(jīng)常在兩個設(shè)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(shè)施和位置的數(shù)據(jù)，比較了量子計算機和經(jīng)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 秒內(nèi)產(chǎn)生了準確的答案，而經(jīng)典計算機卻未能在 12 小時的時間限制內(nèi)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(shù)。根據(jù)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(lián)合發(fā)表的一項研究，一臺量子計算機執(zhí)行相同任務(wù)所需的能量僅為經(jīng)典計算機消耗的0.002%。計算機消耗的能量是巨大的；不包括普通人的電腦和智能手機消耗的能量，數(shù)據(jù)中心本身已經(jīng)占到全球電力的1%以上。如果數(shù)據(jù)可以以量子比特的形式存儲，我們就可以節(jié)省大量的能量。

當前量子計算面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)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(xué)家們認為，如果量子計算機的容量不能達到至少1000個量子比特，那么它們就沒有商業(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(shù)困難。

科學(xué)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相干干擾的狀態(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，較少受外界環(huán)境的影響。這是一種減少退相干現(xiàn)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?nèi)匀粵]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(jīng)見證了該領(lǐng)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(shù)據(jù)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。