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麦肯锡报告:量子计算如何拯救地球?

2022年05月24日

5月19日,麦肯锡发布最新报告:《量子计算可能拯救地球》。报告指出,新兴的量子计算技术可能会彻底改变应对气候变化的斗争、改变脱碳经济,并成为将全球变暖限制在1.5℃目标温度的主要因素:需在2035年之前每年减少大约7吉吨(1吉吨=10亿吨)的额外二氧化碳影响。

尽管该技术处于发展的早期阶段。但是,专家们估计第一代容错量子计算将在2025-2030年到来。这意味着,技术突破正在加速、投资资金正在涌入、初创公司正在激增。量子计算可以帮助减少一些挑战性或排放密集型领域的排放,如农业或直接空气捕获,并可以加速大规模所需技术的改进,如太阳能电池板或电池。麦肯锡介绍了该技术可能带来的一些突破,并试图量化未来十年内可用的量子计算技术所产生的影响。

解决迄今为止无法解决的问题

量子计算可以为整个经济带来阶梯式的变化,这将对碳减排和碳清除产生巨大影响,包括帮助解决持续存在的可持续发展问题,如遏制农业产生的甲烷、减少水泥生产、改进电动汽车的电池、开发更好的可再生太阳能技术、找到更快的方法来降低氢的成本以替代化石燃料,以及使用绿色氨作为燃料和化肥。

针对《气候数学报告》中指定的五个去碳化的关键领域,麦肯锡确定了可以为净零经济(net-zero economy)奠定基础的量子计算用例。他们预测,到2035年,与目前的轨迹相比,下面列出的用例可以使每年从大气中消除超过7吉吨的二氧化碳当量(CO2 equivalent),或者在未来30年内累计超过150吉吨。

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量子计算可以为整个经济带来阶梯式的变化,这将对碳减排和碳清除产生巨大影响

转变1:实现生活电气化

电池是实现零碳电气化的一个关键因素。它们被要求减少运输中的二氧化碳排放,并为太阳能电池或风能等间歇性能源获得电网规模的能量储存。

提高锂离子(Li-ion)电池的能量密度能够以可承受的成本应用于电动汽车和能源储存。然而,在过去的十年里,创新已经停滞不前:电池能量密度在2011年至2016年期间提高了50%,但在2016年至2020年期间仅提高了25%,预计在2020年至2025年期间将仅提高17%。

最近的研究表明,量子计算将能够以现在无法实现的方式模拟电池的化学特性:量子计算可以提供对电解质复合物合成方式的更好理解,帮助寻找具有相同特性的阴/阳极替代材料和/或消除电池隔膜来实现突破。

因此,我们可以制造能量密度高于50%的电池,用于重型电动汽车,这可以大大推进其经济使用;乘用电动汽车的碳效益不会很大,因为这些车辆预计在第一代量子计算机上线之前在许多国家达到成本平价,但消费者仍可能享受成本节约。

此外,更高密度的能源电池可以作为电网规模的存储解决方案。这对世界电网的影响可能是变革性的。太阳能正在变得具有经济竞争力,但却受到其发电状况的挑战。将电网规模的存储成本减半可以使太阳能的使用发生重大变化:已有建模表明,到2050年太阳能电池板的成本减半可以使其在欧洲的使用量增加25%,将太阳能和电池的成本减半可能使太阳能的使用量增加60%。

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按照量子影响假设估计欧盟的太阳能发电量:量子影响可以是协同的

转变2:调整工业运作

该行业的许多部门所产生的排放物要么极其昂贵,要么在后勤方面具有挑战性。

水泥就是一个很好的例子。在制造熟料(一种用于制造水泥的粉末)的窑炉煅烧过程中,原材料会释放出二氧化碳。这个过程约占水泥排放量的三分之二。替代的水泥结合材料(或“熟料”)可以消除这些排放,但目前还没有成熟的替代熟料可以以可承受的成本大幅减少排放。

这种产品有许多可能的排列组合,但通过反复试错既费时又费钱。量子计算可以帮助模拟理论上的材料组合,以找到一种可以克服当今挑战的材料——耐用性、原材料的可用性和风化(在碱激活粘合剂的情况下)。据估计,到2035年,这将产生每年1吉吨的额外影响。

转变3:电力和燃料的去碳化

1.太阳能电池

太阳能电池将是净零经济中的关键发电来源之一。但是,即使它们越来越便宜,仍然远远没有达到其理论上的最大效率。

今天的太阳能电池依赖于晶体硅,其效率在20%左右。基于过氧化物晶体结构的太阳能电池,其理论效率高达40%,可能是一个更好的选择。然而,它们带来了挑战:因为缺乏长期的稳定性,而且在某些品种中,可能会有更大的毒性。此外,该技术还没有被大规模生产。

量子计算可以帮助解决这些挑战,允许精确模拟使用不同基础原子和混合物的所有组合的过氧化物结构,从而确定更高效率、更高耐久性和无毒的解决方案。如果能达到理论上的效率提高,平准化度电成本(levelized cost of electricity,LCOE)将减少50%。

通过模拟更便宜和更高效的量子太阳能电池板的影响,我们看到在碳价格较低的地区(例如中国),使用量会大幅增加;欧洲辐照度高的国家(西班牙、希腊)或风能条件差的国家(匈牙利)也是如此。如上文所述,当与廉价的电池存储相结合时,其影响会被放大。

到2035年,这项技术可以额外减少0.4吉吨的二氧化碳排放。

2.氢气

氢气被广泛认为是许多经济领域中化石燃料的可行替代品,特别是在需要高温、而电气化不可能或不充分的工业领域;或者需要氢气作为原料的领域,如炼钢或乙烯生产。

在2022年天然气价格飙升之前,绿色氢气(绿氢)的价格比天然气高约60%。但改进电解技术可以大大降低氢气的成本。聚合物电解质膜(PEM)电解器分离水,是制造绿色氢气的一种方式。最近,它们已经得到改善,但仍然面临两个主要挑战:

首先,它们的效率不尽如人意。实验室环境中,“脉冲”电流而不是持续运行电流可以提高效率,但我们对这一点的理解还不足以让它在规模上发挥作用。

其次,电解器有精密的膜:允许分解的氢从阳极传到阴极(但把分裂的氧气挡在外面)。此外,它们还有催化剂,可以加速整个过程。理论上催化剂的效率越高,它对膜的磨损就越大;但情况不一定是这样的,我们对相互作用的理解还不足以设计更好的膜和催化剂。

量子计算可以帮助模拟脉冲电解的能量状态,以优化催化剂的使用,这将提高效率。量子计算还可以对催化剂和膜的化学成分进行建模,以确保最有效的相互作用;而且它可以将电解过程的效率推高到100%,并将氢气的成本降低35%。如果与量子计算发现的更便宜的太阳能电池相结合(如上所述),氢气的成本可以降低60%。

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绿色氢气的成本降低水平:量子计算创新的结合可以使氢气的碳价格在2030年与天然气持平

由于这些改进而增加的氢气使用量,到2035年可额外减少1.1吉吨的二氧化碳排放。

3.氨

氨是最著名的肥料,但也可以作为燃料使用,有可能使其成为世界船舶的最佳脱碳解决方案之一。今天,它占全球最终能源消耗总量的2%。

目前,氨通过使用天然气的能源密集型Haber-Bosch工艺制造,有几种制造绿氨的方案,但它们都依赖于类似的工艺。例如,可以使用绿氢作为原料,或者可以捕获和储存该过程中产生的二氧化碳排放。还有其他潜在的方法,如氮化酶生物电催化:当植物直接从空气中获取氮气,氮化酶催化其转化为氨时,氮固定作用就会自然发生。这种方法很有吸引力,因为它可以在室温和1bar的压强下进行;相比之下,Haber-Bosch工艺在500℃的高压下进行这一过程,会消耗大量能源(以天然气的形式)。

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左:使用Haber-Bosch工艺生产绿色合成氨;右:利用氮化酶生物电催化生产绿氨。用氮化酶生产绿色氨气需要较少的时间和能量,使用氮素酶固氮是一种能量密集度较低的生产氨的方式

人工复制固氮作用需要克服挑战,如酶的稳定性、氧气的敏感性和氮化酶产生氨的低速率。这个概念在实验室里是可行的,但在规模上并不可行。量子计算可以帮助模拟提高酶的稳定性,保护其不受氧气影响,并提高氮化酶产氨率的过程。这将使成本比今天通过电解生产的绿氨减少67%,这将使绿氨比传统生产的氨更便宜。这样的成本降低不仅可以减少农业用氨的生产对二氧化碳的影响,而且还可以将航运中氨的收支平衡时间提前十年。在航运中,氨预计将成为主要的脱碳选择。

使用量子计算来促进更便宜的绿色氨水作为航运燃料,到2035年可以减少0.4吉吨的额外二氧化碳。

转变4:加强碳捕获和碳封存活动

为了实现净零排放,需要进行碳捕获。两种类型的碳捕获——点源捕获(Point-source capture)和直接空气捕获(Direct-air capture),都可以得到量子计算的帮助。

1.点源捕获

点源碳捕获允许直接从工业来源(如水泥或钢铁高炉)捕集二氧化碳。但是绝大多数的二氧化碳捕获都太昂贵了,目前还不可行,主要是因为它的能量很高。一个可能的解决方案是:新型溶剂,如水溶性溶剂和多相溶剂,它们可以提供较低的能量要求,但很难在分子水平上预测潜在材料的特性。

量子计算有望实现更精确的分子结构建模,为一系列二氧化碳来源设计新的、有效的溶剂,这可以将工艺的成本降低30%到50%。

这对工业过程的脱碳有很大的潜力,这可能导致每年多达1.5吉吨的额外脱碳,包括水泥。如果上述的水泥熟料方法成功,由于燃料排放,这仍将产生每年0.5吉吨的影响。此外,在一些地区可能无法获得替代性熟料。

2.直接空气捕获

直接空气捕获,包括从空气中吸走二氧化碳,是解决碳清除的一种方式。虽然政府间气候变化专门委员会说这种方法是实现净零排放所必需的,但它非常昂贵(现在每天每吨250美元到600美元不等),甚至比点源捕获更耗能。

吸附剂最适合于有效的直接空气捕获,而最新的方法,如金属有机框架(MOF),有可能大大减少能源需求和基础设施的资本成本。MOF的作用就像一块巨大的海绵(小到一克,大到一个足球场的表面积),可以在远低于传统技术的温度变化下吸收和释放二氧化碳。量子计算可以帮助推进MOF等新型吸附剂的研究,并解决因对二氧化碳引起的氧化、水和降解的敏感性而产生的挑战。

具有更高的吸附率的新型吸附剂可以将技术成本降低到每吨二氧化碳当量捕获100美元。这可能是吸收的一个关键门槛,微软已经公开宣布,期望为最高质量的碳清除长期支付每吨100美元。

这将导致到2035年每年额外减少0.7吉吨的二氧化碳。

转变5:改革粮食和林业

每年20%的温室气体排放来自农业,而牛和奶制品排放的甲烷是主要的贡献者(根据20年的全球变暖潜力,7.9吉吨的二氧化碳)。研究表明,低甲烷饲料添加剂可以有效地阻止高达90%的甲烷排放。然而,将这些添加剂用于散养牲畜是特别困难的。

另一种解决方案是产生针对甲烷源抗体的抗甲烷疫苗。这种方法在实验室条件下取得了一些成功,但在牛的肠道里——胃液和食物的翻滚下,抗体很难抓住正确的微生物。量子计算可以加速研究,通过精确的分子模拟找到合适的抗体,而不是采用昂贵而漫长的试错法。

根据美国环境保护局的数据确定的估计吸收量,到2035年每年可额外减少1吉吨的碳排放。

农业中另一个突出的使用案例是上面讨论的作为燃料的绿色氨,如今的Haber-Bosch工艺使用大量的天然气。使用这样的替代工艺,到2035年,每年可增加0.25吉吨的影响,取代目前传统生产的化肥。

其他用例

还有很多方法可以将量子计算应用于应对气候变化的斗争。未来的可能性包括识别新的蓄热材料、高温超导体作为未来降低电网损耗的基础,或支持核聚变的模拟。用例并不局限于气候减缓,例如,改进天气预测为重大气候事件提供更多警告。但这些创新的进展将不得不等待,因为第一代机器将不会强大到足以实现这种突破。

企业的机遇

二氧化碳减排的飞跃可能是企业的一个主要机会。根据麦肯锡的研究,在可持续发展方面有3-5万亿美元的价值,气候投资是大公司的当务之急。上面介绍的用例代表了这些领域的重大转变和潜在颠覆,它们与领先的参与者的巨大价值有关。

然而,量子技术还处于早期阶段,并伴随着与前沿技术发展相关的风险,以及巨大的成本。投资者的风险可以通过以下措施得到一定程度的缓解:聘用技术专家进行深入调查、与公共实体或财团进行联合投资,以及投资各种企业利益捆绑的公司,并提供建立和扩大这些企业的必要经验。

此外,政府也可以发挥重要作用,在大学里创建培养量子人才的项目,为气候方面的量子创新提供激励。特别是对于今天没有自然企业合作伙伴的用例,如灾害预测、不经济的用例,如直接空气捕捉。各国政府可以启动更多的研究项目,如IBM与英国的合作、IBM与弗劳恩霍夫协会的合作、荷兰的公私合作项目Quantum Delta、以及美国与英国的合作。通过挖掘量子计算的可持续性,各国将加速绿色转型,实现国家承诺,并在出口市场上取得先机;但即使采取了这些措施,风险和费用仍然很高。

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上:二氧化碳排放量预测;下:每年额外的二氧化碳量子影响减排潜力。量子化技术可以使世界在2050年之前重新走上净零排放的轨道

以下是企业和投资者在向量子计算飞跃之前需要问的一些问题:

1)量子计算与你有关吗?

确定是否有用例可以潜在地颠覆你的行业或投资,并解决你的组织的脱碳挑战。本文强调了几个类别的用例,以展示量子计算的潜在影响:已经确定了100多个与可持续性相关的用例,在这些用例中,量子计算可以发挥重要作用。快速识别适用于你的用例,并决定如何解决这些用例是非常有价值的,因为人才和能力在这十年里将是稀缺的。

2)如果量子计算和企业利益相关,现在该如何接近它?

一旦参与了量子计算,建立正确的方法、减少风险、确保获得人才和能力是关键。

由于这项研究的成本很高,企业可以通过与价值链上的其他参与者结成伙伴关系,并汇集费用和人才来最大化他们的影响。例如,氢气的主要消费者可能与电解器制造商联合起来,以降低成本并分享价值。这些安排将要求公司弄清楚如何在不失去竞争优势的情况下分享创新。合资企业或竞争前研发等合作将是一个答案。投资者愿意支持这种努力,以潜在地消除企业的一些风险。从COP26会议上的承诺来看,有大量的专用气候资金可以利用,这些承诺旨在实现每年1000亿美元的支出目标。

3)我必须现在开始吗?

虽然第一台容错的量子计算机还需要几年时间,但现在开始开发工作是很重要的。要想在应用量子计算所需的巨大投资上获得最大的回报,还有大量的前期工作要做。

确定一个特定问题的确切参数并找到最佳的应用,将意味着应用专家和精通算法开发的量子计算技术人员之间的合作。估计算法开发将需要长达18个月的时间,这取决于复杂性;还需要时间来建立价值链、生产和进入市场,以确保他们在量子计算可以部署时做好准备,并从创造的价值中充分受益。

量子计算是一项革命性的技术,可以实现精确的分子级模拟,并对自然界的基本规律有更深的理解。正如本文所示,它在未来几年的发展可以帮助解决迄今为止无法解决的科学问题,清除这些路障可能会使可持续发展的未来和气候灾难之间产生差异。

使量子计算成为现实将需要对资源、专业知识和资金进行大力整合。只有政府、科学家、学术界和投资者在开发这项技术方面密切合作,才有可能达到限制排放的目标,使全球变暖保持在1.5℃内,并拯救地球。

报告原文:

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

(来源:光子盒研究院,2022年5月23日)

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