（圖片來(lái)源：麥肯錫）

在2021年聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP26）上，全球各國(guó)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(jì)到2030年，全球每年將為之投入4萬(wàn)億美元以達(dá)到該目標(biāo)，這是人類(lèi)歷史上最大的投資。

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

有關(guān)專(zhuān)家曾指出，根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展預(yù)測(cè)，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(lái)說(shuō)，應(yīng)對(duì)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。

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(chǎng)涌入、初創(chuàng)量子企業(yè)激增，行業(yè)發(fā)展日新月異。同時(shí)，主要的科技公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出小型、嘈雜的中等規(guī)模量子 (NISQ) 計(jì)算機(jī)，正在加速商用落地，量子計(jì)算可能會(huì)改變氣候科技領(lǐng)域的游戲規(guī)則——?jiǎng)?chuàng)新氣候技術(shù)。

量子計(jì)算可能會(huì)為整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域帶來(lái)重大變化，這將對(duì)碳減排和零碳行動(dòng)產(chǎn)生巨大影響?；凇尔溈襄a氣候數(shù)學(xué)報(bào)告》列出碳減排的五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，麥肯錫確定了助力凈零經(jīng)濟(jì)的量子計(jì)算用例。

麥肯錫預(yù)計(jì)，到2035年，與目前的碳減排發(fā)展軌跡相比，量子計(jì)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(lái)的三十年中將二氧化碳當(dāng)量減少1500億噸。

圖1（圖片來(lái)源：麥肯錫）

本文中，麥肯錫介紹了量子計(jì)算技術(shù)將能產(chǎn)生突破性的領(lǐng)域，并嘗試量化量子計(jì)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(guò)程中減少二氧化碳排放，并且能夠支持風(fēng)能和太陽(yáng)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(chǔ)。

其中，提高鋰離子電池的能量密度可降低其在電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景中的成本。然而，在過(guò)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(jì)在2020-2025年間將僅提高17%。

根據(jù)最近的研究表明，通過(guò)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(jì)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)。

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(dòng)汽車(chē)，從而大大提高其經(jīng)濟(jì)用途。然而在第一代量子計(jì)算機(jī)上線之前，（能量密度高出50%的電池）在乘用電動(dòng)汽車(chē)的碳效益中表現(xiàn)不明顯。

此外，更高密度的能量電池可以作為電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)解決方案，對(duì)世界電網(wǎng)產(chǎn)生變革性影響。正如當(dāng)將電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能的成本降低一半時(shí)，太陽(yáng)能的使用情況將會(huì)發(fā)生重大變化。這是因?yàn)樘?yáng)能在經(jīng)濟(jì)上正變得越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力，但其發(fā)電結(jié)構(gòu)正面臨挑戰(zhàn)。

麥肯錫的模型表明，到2050年，將太陽(yáng)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(yáng)能和太陽(yáng)能電池成本減半將增加 60%（圖表 2）。并且，在低碳價(jià)格的地區(qū)將會(huì)受到更大的影響。

圖2（圖片來(lái)源：麥肯錫）

基于用例的組合，麥肯錫預(yù)計(jì)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(yíng)

• 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。

水泥就是一個(gè)例子。在用于制造熟料（用于制造水泥的粉末）的窯中煅燒過(guò)程中，二氧化碳會(huì)從原材料中釋放出來(lái)，而這一過(guò)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。

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。

基于原材料的結(jié)構(gòu)存在多種分子排列方式，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)以尋找答案的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。量子計(jì)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(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池將成為凈零經(jīng)濟(jì)中的主要發(fā)電來(lái)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。

當(dāng)前的太陽(yáng)能電池依賴(lài)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(yáng)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(zhǎng)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)。

量子計(jì)算將通過(guò)對(duì)不同原子和對(duì)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(wú)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%。

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

預(yù)計(jì)到2035年，這項(xiàng)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)。

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

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)。

1、沒(méi)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(guò)程催化劑還不能很好地相互作用?，F(xiàn)在隨著制造催化劑的效率越高，它對(duì)膜的磨損就越多。這并非絕對(duì)，但因?yàn)槿狈?duì)相互作用的認(rèn)知，從而無(wú)法設(shè)計(jì)出更好的膜和催化劑。

量子計(jì)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(jì)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(guò)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(jì)算可以發(fā)現(xiàn)更便宜的太陽(yáng)能電池（如上所述），氫氣的生產(chǎn)成本則可降低60%。

圖3（圖片來(lái)源：麥肯錫）

預(yù)計(jì)到2035 年，隨著生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)帶來(lái)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(shí)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%。

目前，氨是通過(guò)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(lài)于類(lèi)似的過(guò)程。例如，綠色氫可以用作原料，或者在這個(gè)過(guò)程中排放的二氧化碳可以被捕獲和儲(chǔ)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?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(huì)消耗大量能量（以天然氣的形式）。

圖4（圖片來(lái)源：麥肯錫）

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(gè)概念尚在實(shí)驗(yàn)室階段。

量子計(jì)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(guò)程。與今天通過(guò)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(jì)將成為主要的碳減排選擇方式）。

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

轉(zhuǎn)變 4：加強(qiáng)碳捕獲和封存活動(dòng)

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(lèi)型的碳捕獲方式都可以通過(guò)量子計(jì)算來(lái)輔助。

• 點(diǎn)源捕獲

點(diǎn)源碳捕獲允許直接從工業(yè)來(lái)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。

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(cè)潛在材料的性質(zhì)。

量子計(jì)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(jì)新的有效溶劑，從而將工藝成本降低30%至50%。

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(huì)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(wèn)題的一種方法。雖然政府氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)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。

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(chǎng)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。

量子計(jì)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)。

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(kāi)宣布將長(zhǎng)期支付每噸100美元的價(jià)格以獲得最高質(zhì)量的碳減排，100美元/噸可能是一個(gè)關(guān)鍵的門(mén)檻。由此產(chǎn)生的碳減排，預(yù)計(jì)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(lái)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）。

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。

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(dòng)中，抗體難以鎖定正確的微生物。

量子計(jì)算可以加速研究，通過(guò)精確的分子模擬而不是用昂貴且漫長(zhǎng)的試錯(cuò)法來(lái)尋找合適的抗體。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署確定的估計(jì)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。

農(nóng)業(yè)中另一個(gè)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。

• 其他用例

量子計(jì)算可以通過(guò)更多方式應(yīng)用于應(yīng)對(duì)氣候變化。未來(lái)將包括識(shí)別新的蓄熱材料、高溫超導(dǎo)體作為未來(lái)降低電網(wǎng)損耗的基礎(chǔ)，或支持核聚變模擬。用例不會(huì)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(bào)的精準(zhǔn)度。

企業(yè)的機(jī)會(huì)

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。

根據(jù)麥肯錫的研究，在可持續(xù)發(fā)展方面的企業(yè)級(jí)市場(chǎng)可達(dá)到3到5萬(wàn)億美元規(guī)模，氣候投資對(duì)于大公司來(lái)說(shuō)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(huì)潛力。這個(gè)機(jī)會(huì)得到了已經(jīng)入局的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的認(rèn)可。

（圖片來(lái)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(xiǎn)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(jià)值的。

此外，政府可以發(fā)揮重要作用，通過(guò)在大學(xué)創(chuàng)建計(jì)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(lì)措施，特別是對(duì)于當(dāng)今沒(méi)有自然企業(yè)合作伙伴的用例，例如災(zāi)難預(yù)測(cè)；或不經(jīng)濟(jì)，例如直接空氣捕獲。政府可以啟動(dòng)更多研究計(jì)劃，例如IBM和英國(guó)之間的合作伙伴關(guān)系，IBM與德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)之間的合作，荷蘭的公私合作項(xiàng)目Quantum Delta，以及英美兩國(guó)間的合作等。通過(guò)利用量子計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，各國(guó)將加速綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)國(guó)家承諾，并在出口市場(chǎng)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)。