DAOrayaki DAO研究奖金池：
资助地址: DAOrayaki.eth
投票进展：DAO Reviewer 1/0 通 过
赏金总量：55 USD
研究种类：Quantum Computing, Global Warming
原文作者: Peter Cooper
创作者：Hahaho@DAOrayaki.org
审核者：HTseaaat@DAOrayaki.org
原文: Quantum computing just might save the planet
功能日益强大的计算机可以帮助我们大幅减少排放，进而使放缓全球变暖速度的目标变得可能。
量子计算[1]的发展是人类与气候变化斗争中的一场“革命”，它可以改变脱碳经济，将全球变暖限制在1.5℃的目标温度内。
虽然量子计算仍处于早期发展阶段，但随着相关技术难题的攻克，资金大量涌入，初创公司数量猛增，专家预估第一代容错量子计算在2030年前就会实现。一些大型科技公司已经开发出中等规模噪声的小型量子 (NISQ) 计算机，只是这些计算机所能执行的计算规模暂时还达不到人们预期。
同时，各国和企业在2021年的联合国气候变化大会（COP26）上设定了宏大的减排目标。这些目标如果想完全实现，相当于到2030年每年需要投资4万亿美元，毫无疑问，这将会是人类历史上最大规模的资本再分配。但是，即使将制定的措施严格执行到2050年，最终结果也只能将气候变暖降低至1.7°C至1.8°C之间，远低于1.5°C的目标，也就是避免气候失控的最低水平。
此外，以现有的气候技术，想实现会上承诺的净零排放目标几乎不可能，即使是现有的最强大的超级计算机也无法解决全部问题。而量子计算，或许可以改变这个现状。总的来说，我们认为量子计算可以帮助发展气候技术，在2035年之前实现每年减少约7十亿吨的额外二氧化碳排放，逼近1.5℃的最终目标。
量子计算可以帮助减少挑战性或排放密集型领域的排放量，比如农业或直接空气捕获，并加速所需技术的发展，比如太阳能板或电池。本文介绍了量子计算可能实现的突破，并试图量化量子计算技术在未来几年可能带来的影响。
解决“悬而未决”的问题
量子计算会为经济带来阶段性变化，对碳减排和碳清除产生巨大影响，并解决目前存在的可持续性问题，比如减少农业产生的甲烷，使水泥生产无排放，改进电动载具的电池与可再生太阳能技术，降低氢的成本，使其成为化石燃料的可行替代选择，以及使用清洁氨作为燃料和肥料。
《气候数学报告》[2]中指定了五个去碳化关键领域，我们依此确定了净零经济中量子计算的实际用例。预测到2035年，下列用例同比当前，可以每年消除超过7十亿吨大气二氧化碳当量（CO2e），并在未来30年累计超过1500亿吨（图1）。
变化一：生活电气化
01电池
电池是实现零碳电气化的关键。它可以减少交通运输中的二氧化碳排放，并将太阳能电池或风能等间歇性能源以电网规模储存。
通过提高锂离子（Li-ion）电池的能量密度，我们就能以更低的成本将其应用于电动汽车和能源储存。然而在过去十年，创新已经停滞不前，电池能量密度在2011年至2016年间提高了50%，但在2016年至2020年间仅提高了25%，2020年至2025年间预计仅提高17%。
最近有研究表明，量子计算能够以当前无法实现的方式模拟电池的化学特性。即可以更好的理解电解质复合物的形成过程，寻找具有相同性能的阴阳极替代材料，消除电池隔膜来实现技术上的突破。
进而可以创造出能量密度高出50%的电池，并将其用于重型电动载具，更好的提高经济效用。客运电动载具的碳效益不会很大，因为这些载具预计在第一代量子计算机上线之前会在许多国家达到成本平价，消费者仍然可以享受节约的成本。
此外，更高密度的能源电池可以作为电网规模存储的解决方案。这对世界电网将产生变革性影响。将电网规模的存储成本减半，意味着太阳能的成本更具有竞争力，可以促进太阳能的使用，当然这也受其发电状况的影响。我们的建模表明，太阳能板的成本一旦减半，到2050年，其在欧洲的使用量会增加25%，将太阳能和电池成本减半，可使太阳能的使用量增加60%（图2），而在原有碳价格较低的地区产生的影响更甚。
通过上述用例的组合，新电池的应用可以在2035年之前额外减少1.4十亿吨的二氧化碳排放量。
变化二：改善工业运营流程
01水泥
工业生产的众多环节中产生的排放物，要么极其昂贵，要么在后勤方面极具挑战。
水泥就是例子，在窑中煅烧熟料（用于制造水泥的粉末）的过程中，原料会释放二氧化碳，占整个水泥生产流程排放量的三分之二。
替代水泥结合材料（或“熟料”）可以减免这些排放，但考虑到可承受的成本，目前还没有合适的替代熟料可以真的大幅减少排放量。
这种产品有许多可能性组合，但反复试验测试既费时又费钱。而量子计算可以模拟材料组合效果，进而寻求满足材料组合的期望条件：耐久性、原材料可用性和风化（在碱活化粘合剂的情况下）。据估计，这将在2035年前每年降低10亿吨的二氧化碳排放。
变化三：电力和燃料的去碳化
01太阳能电池
太阳能电池将是净零经济中的主要发电来源之一。但事实是，即使它们已经越来越便宜，但仍远没达到理论上的最大效率。
现今的太阳能电池依赖晶体硅，效率在20%左右。而基于过氧化物晶体结构的太阳能电池，理论效率高达40%，可能是一个更好的选择。但因为其缺乏长期稳定性，且在一些品类中有较强的毒性，所以仍不完善，也没有用于大规模生产。
面对这些挑战，量子计算通过模拟使用不同的基本原子和掺杂，可以对所有组合的钙钛矿结构进行精确模拟，确定更高效率、更高耐用性和无毒的解决方案。如果能达到理论上的效率提升，其平准化电力成本 (LCOE) 将降低50%。
通过对更便宜、更高效的量子太阳能电池的影响进行模拟，我们看到其在碳价格较低的地区（例如中国）的使用显著增加。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）同样如此。如上所述，当与更便宜的电池存储相结合时，影响更甚。
到2035年，此项技术可以额外减少4亿吨的二氧化碳排放。
02氢气
在许多经济领域，氢气被认为是化石燃料的可行替代品，尤其是在需要高温且电气化不可行或不充分的工业，或者需要氢气作为原料的工业中，例如炼钢或乙烯生产。
在2022年天然气价格飙升前，清洁氢气的价格比天然气贵60%左右，而改进电解技术可以显著降低氢气的成本。
通过聚合物电解质膜（PEM）电解器分离水，是制造清洁氢气的一种方式。这项技术最近有所发展，但仍面临两个主要挑战：
- 效率不尽如人意。我们知道，在实验室环境中，"脉冲 "电流要比持续运行电流效率更高，但目前我们对该技术的深入程度还不足以使其大规模应用。
- 电解器有精密的膜，让分裂的氢气从阳极传到阴极（但把分裂的氧气挡在外面），此外还有加速整个过程的催化剂。催化剂和膜还不能很好地相互作用，制造的催化剂效率越高，对膜的磨损越大，而当前对相互作用的理解还不足以设计出更好的膜和催化剂。
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，进而提高效率。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。还可以将电解过程的效率推到100%，将氢气的成本降低35%。如果与上文所述的更便宜的太阳能板相结合，氢气的成本可以降低60%（图3）。
改进氢气生产流程也意味着氢气使用量的增加，到2035年可额外减少11亿吨的二氧化碳排放。
03氨
氨大多作为肥料而被人们熟知，事实上它也可以用作燃料，并有可能成为脱碳的最佳解决方案之一。如今，它占全球最终能源消耗总量的2%。
目前，氨是通过能源密集型Haber-Bosch工艺使用天然气生产的。虽有几种不同的制造清洁氨方案，但生产工艺基本类似。例如可以将清洁氢气作为原料，或者用于捕获和储存该过程中产生的二氧化碳排放。
也有其它潜在方法，比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，固氮作用会自然发生。这种方法很有吸引力，因为它可以在室温和1（bar）的压力下进行，而使用Haber-Bosch时需要在500°C的高压下完成，同时会消耗大量能量（大多数时候是天然气）（图4）。
相关技术已经发展到了可以人工复制固氮的阶段，但前提是能克服酶稳定性、氧敏感性和固氮酶产氨率低等挑战。这个概念在实验室中可行，但不适合大规模应用。
量子计算可以帮助模拟提高酶稳定性、保护酶免受氧气影响以及提高固氮酶产氨率的过程。与今天通过电解生产的清洁氨相比，成本降低了67%，这将使清洁氨比传统生产的氨更便宜。这种成本降低不仅可以减少生产农业用氨对二氧化碳的影响，还可以使航运业的氨气收支平衡提前十年，同时预计氨将提前十年成为主要的脱碳选择。
量子计算促进更便宜的清洁氨成为运输燃料，到2035年可以额外减少4亿吨的二氧化碳排放。
变化四：加强碳捕获和碳封存活动
实现净零排放的过程中进行碳捕获是必要的，而两种类型的碳捕获：点源和直接空气捕获，都能得到量子计算的帮助。
01点源捕获
点源碳捕允许直接从工业来源（如水泥或钢铁高炉）捕获二氧化碳。但因为能耗原因，绝大部分二氧化碳捕获都很昂贵，暂时没有大规模应用价值。
一个潜在解决方案是：新型溶剂，比如水溶性溶剂和多相溶剂，它们的能源需求更低，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，最终将该过程的成本降低30%至50%。
我们认为，它的巨大潜力也可以用于工业过程脱碳，进而每年额外脱碳15亿吨（包括水泥）。如果上述水泥熟料方法成功，由于燃料排放，每年仍会产生5亿吨的影响， 此外某些地区可能没有可用的替代熟料。
02直接空气捕获
直接空气捕获的流程是从空气中吸收二氧化碳，这也是解决去碳问题的一种方法。虽然政府间气候变化专门委员会表示，这种方法是实现净零排放所必需的，但它非常昂贵（目前每天每吨250到600美元不等），而且比点源捕获的能源强度更高。
吸附剂最适合有效的直接空气捕获，金属有机框架或MOF等新方法可以降低基础设施的能源需求和资本成本。MOF就像一块巨大的海绵，虽然小到一克，但表面积却比一个足球场大，并且可以在比传统技术低得多的温度变化下吸收和释放二氧化碳。
量子计算可以推进对新型吸附剂（如MOF）的研究，并解决因对氧化、水和二氧化碳引起的降解的敏感性而产生的挑战。
具有更高吸附率的新型吸附剂可以将技术成本降低至每吨CO2e捕获仅需100美元。这是其应用的关键门槛，因为企业气候领导者（如Microsoft）已公开宣布期望为最高质量的碳清除长期支付每吨100美元的费用。到2035年，这种方法可以每年额外减少7亿吨的二氧化碳排放量。
变化五：改革粮食和林业
每年有20%的温室气体排放[3]来自农业，活牛和奶制品排放的甲烷是主要贡献者（根据20年全球变暖潜能值计算，二氧化碳当量为79亿吨）。
研究表明，低甲烷含量的饲料添加剂可以有效减少高达90%的甲烷排放。然而，将这些添加剂用于散养牲畜特别困难。
另一种解决方案是产生针对产甲烷菌的抗体的抗甲烷疫苗。这种方法在实验室条件下取得了一些成功，但在牛的肠道中，其与胃液和食物一起搅动，抗体很难锁定正确的微生物。量子计算可以推进研究，通过精确的分子模拟找到合适的抗体，当前的试错法昂贵且周期较长。根据美国环境保护署数据确定的估计吸收量，到2035年，我们每年可以再减少10亿吨碳排放。
农业中另一个突出的用例是上文讨论的作为燃料的清洁氨，当前的Haber-Bosch工艺需要使用大量天然气。到2035年，使用这种替代工艺每年可减少高达2.5亿吨的二氧化碳排放，从而取代目前传统生产的化肥。
其他用例
量子计算可以通过更多方式应用于应对气候变化。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。用例不仅限于减缓气候变化，还可以应用于适应，例如改进天气预报以对重大气候事件发出更好的预警。但这些创新进展需要一段时间，因为第一代机器的功能还不能支撑这类应用。
企业的机会
二氧化碳减排技术的进步是企业的重要机会。据麦肯锡研究[4]，在可持续发展方面有3至5万亿美元的市场价值，气候投资是大公司的当务之急。上面介绍的使用案例代表了这些领域的重大转变和潜在应用，它们与大公司的利益密切相关，且这个机会正在被已经在发展能力和人才的行业领导者察觉。
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。我们在《量子技术监测》[5]中强调了该行业所处的阶段。投资者可以通过以下步骤降低一定程度的风险，比如聘用技术专家深入调查，与公共实体或财团进行联合投资，投资子公司众多的母公司，并提供建立和扩大这些公司的必要经验。
此外，政府的角色也至关重要，在大学里创建可以培养量子人才的项目，并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，或成本较高的用例（比如直接空气捕获）。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Fraunhofer-Gesellschaft公司的合作，荷兰的公私合作项目Quantum Delta，以及美国与英国的合作。通过利用量子计算促进可持续性，各国将加速绿色转型，实现承诺，并在出口市场上获得先机。虽然即使采取了这些措施，风险和费用仍然很高（图5）。
以下是企业和投资者的常见问题：
01量子计算与我有关吗？
辨别是否有用例有可能对你的行业或投资产生巨大影响，并解决你的组织的脱碳问题。本文重点介绍了几个类别的用例，以展示量子计算的潜在影响，目前我们已经确定了100多个与可持续性相关的用例，在这些用例中，量子计算都可以发挥重要作用。快速匹配适合你的用例并决定如何解决这些用例是必要的，因为在本十年中，人才和技能将会非常稀缺。
02如果量子计算这么有价值，现在该如何看待它？
关键在于正确的方法，降低风险，确保获得人才和技能。
由于研究成本很高，企业可以通过与其价值链中的参与者建立伙伴关系，汇集费用和人才来最大限度地发挥其影响。例如，氢气的主要消费者可能会与电解器制造商合作，以降低成本并分享价值。这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成果。合资企业或竞争前研发等合作可能是一个答案。我们还预见到投资者愿意支持此类努力，以潜在地消除企业的一些风险。从COP26上做出的旨在实现每年1000亿美元支出目标的承诺来看，有大量的专用气候资金可以利用。
03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，但有必要现在就开始开发工作。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。
确定给定问题的确切参数并找到最佳应用，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协作。我们估计算法开发最多需要18个月，具体取决于问题的复杂程度。
建立价值链、生产和上市也需要时间，以确保他们在部署量子计算时做好准备，并充分受益于所创造的价值。
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和对自然基本法则的更深入理解。正如本文所示，它在未来几年的发展可能有助于解决当前悬而未决的科学问题。解决这些问题可能会在可持续的未来与气候灾难之间产生差异。
使量子计算尽早成为现实，需要资源、专业知识和资金的特殊调动。只有政府、科学家、学者和投资者密切合作开发这项技术，才有可能实现将全球变暖控制在1.5°C，并拯救地球的最终目标。
参考
- https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-use-cases-are-getting-real-what-you-need-to-know
- https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/climate-math-what-a-1-point-5-degree-pathway-would-take
- https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/climate-math-what-a-1-point-5-degree-pathway-would-take
- https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/the-economic-transformation-what-would-change-in-the-net-zero-transition
- https://www.mckinsey.com/featured-insights/the-rise-of-quantum-computing
通过 DAO，研究组织和媒体可以打破地域的限制，以社区的方式资助和生产内容。DAOrayaki将会通过DAO的形式，构建一个代表社区意志并由社区控制的功能齐全的去中心化媒体。欢迎通过文末方式提交与DAO、量子计算、星际移民、DA相关的内容，瓜分10000USDC赏金池！欢迎加入DAOrayaki社区，了解去中心化自治组织（DAO），探讨最新话题！
Media：https://media.daorayaki.org
Discord server: https://discord.gg/wNUPmsGsa4
Medium: https://medium.com/@daorayaki
Email: daorayaki@dorafactory.org
Twitter: @daorayaki_
微信助手：DAOrayaki-Media
小宇宙：DAOrayaki
详情请参考：
Dora Factory支持去中心化DAO研究组织DAOrayaki
DAOrayaki ｜DAOrayaki 开启去中心化治理2.0时代
DAOrayaki ｜风险投资的范式转移：无限主义基金和无限游戏
DAOrayaki ｜DAOrayaki dGov 模型：基于Futarchy的正和游戏
更多关于DAO的文章，关注Dorafactory，查看往期文章。
