量子計算是指基于量子物理學的一種新的計算形式。它有望在處理數據和從中得到優化方面超過傳統計算機。該技術可廣泛應用于環境領域，包括提高能源性能和優化城市規劃。 

什么是量子計算？

我們日常生活中使用的經典計算機對人類的發展是有益的。然而，它們正慢慢地被越來越復雜的機器所取代。

經典計算機無法解決的一個問題是優化。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。當座位數量不斷增加時，可能的組合數量會成倍增加。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典計算機需要模擬每種組合才能生成結果。根據數據的規模，經典計算機可能需要很長時間才能生成結果。然而，量子計算機有可能在幾分鐘內解決問題。

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

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，連續的兩個量子比特處于四種狀態的疊加態——00、01、10 和 11。為什么它具有革命性？處于所有狀態的疊加狀態表明，理論上，量子計算機只需要模擬一次即可生成結果。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。

量子計算與環境保護有何關系？

任何需要優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n個設施和n個位置，并且您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，如果我們需要經常在兩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 秒內產生了準確的答案，而經典計算機卻未能在 12 小時的時間限制內完成。這項研究證明了量子計算在優化城市規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)聯合發表的一項研究，一臺量子計算機執行相同任務所需的能量僅為經典計算機消耗的0.002%。計算機消耗的能量是巨大的；不包括普通人的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。如果數據可以以量子比特的形式存儲，我們就可以節省大量的能量。

當前量子計算面臨的挑戰

現在世界上最強大的量子計算機是由國際商業機器公司(IBM)開發的具有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1000個量子比特，那么它們就沒有商業用途。量子計算機發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相干干擾的狀態。然而，電子對外界環境非常敏感，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境中完成的，這個環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，保持電子在這樣的溫度下有助于它們保持穩定，較少受外界環境的影響。這是一種減少退相干現象發生的方法。然而，當退相干發生時，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，從追蹤傳統計算機無法完成的人體分子數據來開發治療不同不治之癥的藥物，到優化城市、國家甚至世界的能源效率。