使用量子運算技術應對全球氣候變遷：機會與挑戰

量子計算是指基於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。該技術可廣泛應用於環境領域，包括提高能源性能和優化城市規劃。 

什麼是量子計算？

我們日常生活中使用的經典電腦對人類的發展是有益的。然而，它們正慢慢地被越來越複雜的機器所取代。

經典電腦無法解決的一個問題是最佳化。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？答案是相當於大約 360 萬個組合。當座位數量不斷增加時，可能的組合數量會倍增。為了找到座位的最佳佈置，我們首先需要一個確定最佳佈置的標準清單。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產生結果。根據資料的規模，經典計算機可能需要很長時間才能產生結果。然而，量子計算機有可能在幾分鐘內解決問題。

經典電腦的基本資訊單位稱為二進位數字，也通常稱為「位元」。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，量子電腦的基本資訊單位稱為「量子位元」。一個量子位元既不是「1」也不是「0」。相反，它存在於“1”和“0”的疊加中。換言之，它同時是「1」和「0」。因此，連續的兩個量子位元處於四種狀態的疊加態—00、01、10 和 11。為什麼它具有革命性？處於所有狀態的疊加狀態表明，理論上，量子電腦只需要模擬一次即可產生結果。只需幾次嘗試，即可在超過 360 萬種組合中找到 10 個座位的最佳佈置。

量子運算與環境保護有何關係？

任何需要最佳化的領域都可以採用量子運算；它可以是關於提高能源的性能，也可以是關於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)，這是一個經典電腦表現不佳的數學問題。假設有n個設施和n個位置，並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。

一項研究透過提供來自 20 個設施和位置的數據，比較了量子電腦和經典電腦在解決二次分配問題方面的表現。因此，量子電腦在大約 700 秒內產生了準確的答案，而經典電腦卻未能在 12 小時的時間限制內完成。這項研究證明了量子運算在優化城市規劃以最大程度地減少能源消耗的巨大潛力。

除了功能之外，量子運算本身也是環保技術。根據美國國家航空暨太空總署(NASA)、Google和橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)共同發表的一項研究，一台量子電腦執行相同任務所需的能量僅為經典電腦消耗的0.002%。電腦消耗的能量是龐大的；不包括一般人的電腦和智慧型手機消耗的能量，資料中心本身已經佔到全球電力的1%以上。如果資料可以以量子位元的形式存儲，我們就可以節省大量的能量。

目前量子運算面臨的挑戰

現在世界上最強大的量子電腦是由國際商業機器公司(IBM)開發的具有127個量子位元容量的「 Eagle  」。然而，科學家認為，如果量子電腦的容量不能達到至少1000個量子比特，那麼它們就沒有商業用途。量子電腦發展緩慢主要是由於建造它們的技術困難。

科學家被要求操縱和電子一樣小的粒子來製造量子位元。電子需要保持相干性，這意味著電子波可以相互相干幹擾的狀態。然而，電子對外界環境非常敏感，例如噪音和溫度。因此，量子位元的製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作。由於原子的運動處於絕對零度的最低能量狀態，因此保持電子在這樣的溫度下有助於它們保持穩定，較少受外部環境的影響。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，由於外部幹擾可能會破壞其他電子剩餘的相干性，我們仍然沒有明確的方法來修正退相干。

雖然量子運算還處於發展階段，但自1980年代作為理論誕生以來，我們已經見證了該領域的巨大進步。量子運算可能是人類下一個最大的進步，從追蹤傳統電腦無法完成的人體分子數據來開發治療不同不治之症的藥物，到優化城市、國家甚至世界的能源效率。

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