量子计算的进步有助于我们模拟大型复杂分子。
这些模拟可能发现新的碳捕集催化剂，其成本更低、效率更高，优于当前的模型。
目前，我们只能用几十个量子比特模拟小分子，但需要将规模扩展到约100万量级。
试想一下，如果能够廉价、轻松地从大气中直接“吸取”碳，这种能力将在应对气候变化的斗争中发挥巨大作用，并推动我们实现既定的宏伟全球气候目标。
这难道是科幻小说吗？或许未必。量子计算可能正是我们设计这种清洁、安全、易于部署的创新所需的工具。
1995年，我第一次得知量子计算可能带来一场堪比农业革命、工业革命和数字革命的变革。当时，量子力学能被用于产生如此重大的影响，似乎还十分牵强；而鉴于近来的事件，这种可能性似乎大大增加了。
量子霸权
谷歌近期引起广泛关注的公告关于量子霸权：“[T]量子计算机能够完成经典计算机无法完成的任务的节点，无论这些任务是否有用”。
现在的问题是，我们能否开发出大规模的、经过纠错的量子计算机，这是实现真正有用应用所必需的。
好消息是，我们已经切实掌握了如何利用这类成熟的量子计算机完成科学和技术领域的众多重要任务。其中一项任务是模拟分子，以确定其性质、与其他分子的相互作用及反应——即化学，这正是我们所处物质世界的本质所在。
虽然模拟分子对科学家而言可能看似一种晦涩的消遣，但事实上，它支撑着世界的几乎每一个方面以及我们在其中的活动。理解分子的性质可以开启新型强效药物、电池、清洁能源装置，甚至碳捕集领域的创新。
量子模拟
迄今为止，我们尚未找到模拟大型复杂分子的方法——使用传统计算机，我们也永远无法做到，因为该问题的复杂度会随着所模拟分子的规模或复杂性呈指数级增长。粗略地说，如果模拟一个含10个原子的分子需要一分钟，那么含11个原子的分子需要两分钟，含12个原子的分子需要四分钟，以此类推。这种指数级增长很快会使传统计算机失去作用：仅模拟一个含70个原子的分子，所需时间就将超过宇宙的寿命（130亿年）。
这令人沮丧，不仅因为我们无法模拟自然界中（包括我们自身体内）发现并使用的现有重要分子，从而理解其行为；还因为我们可以为新的应用设计无穷多的新分子。
这正是量子计算机可以助我们一臂之力之处，这要归功于已故的伟大物理学家理查德·费曼。早在1981年，他就认识到，在模拟分子方面，量子计算机能够完成经典计算机无法完成的事情。得益于微软及其他机构近期的工作，我们现在已拥有具体方案，用于执行这些模拟。
量子催化剂能否作为气候变化解决方案？
量子模拟可能极具价值、亟需解决的一个重要实际领域，是实现可持续发展目标——不仅包括健康、能源、工业、创新和基础设施，也包括气候行动。例子包括室温超导体（可减少在输送过程中损失的、占能源产量10%的部分）、更高效地生产用于养活世界人口的氮基肥料的工艺，以及全新的、效率高得多的电池。
分子模拟一项非常强大的应用，是设计能够加速化学反应的新型催化剂。据估计，在所有商业化生产的化学产品中，有90%涉及催化剂（在生命系统中，它们被称为酶）。
用于直接从大气中“清除”二氧化碳的催化剂，可能成为应对气候变化的有力工具。尽管二氧化碳会被海洋和树木自然吸收，但几十年来，二氧化碳的产生量一直超过这些自然吸收速率。
应对二氧化碳最好的方式是不再排放更多二氧化碳；次优的做法是将其捕获。“虽然我们无法真正让时间倒流，但[这]有点像倒拨排放时钟，”据Torben Daeneke（任职于RMIT University）所言。
目前已知一些用于碳捕集的催化剂，但大多数含有昂贵的贵金属，或者制造和/或部署困难或成本高昂。“目前，我们并不了解许多廉价且容易获得的二氧化碳还原催化剂，”Ulf-Peter Apfel表示（任职于Ruhr-University Bochum）。
鉴于可供选择的分子数量无限，我们有理由乐观地认为，能够以低成本、轻松完成任务的催化剂（实际上可能有很多）有待发现。然而，如果无法模拟候选分子的性质，要找到这样的催化剂将是一项艰巨的任务。
而这正是量子计算可以提供帮助之处。
我们甚至可能找到一种廉价催化剂，使二氧化碳得以高效循环利用，并生成氢气（一种燃料）或一氧化碳（化学工业中常见的原料）等有用的副产品。
量子计算来拯救——需要具备哪些条件？
目前，我们可以在原型量子计算机上，用多达几十个量子比特（相当于经典计算机比特的量子形式）模拟小分子。但要将其扩展到有用的任务（例如发现新型二氧化碳催化剂），将需要纠错，并将模拟规模扩展到约100万量子比特的量级。
我长期以来一直认为，这一挑战只有在任何人类可及的时间尺度内才能应对，当然，也包括在2030年可持续发展目标期限内——前提是我们利用硅芯片行业现有的制造能力。
前进之路
上个月，在世界经济论坛全球未来理事会的一次会议上，来自产业界、学术界及其他领域的一组专家齐聚一堂，探讨量子计算如何助力应对全球性挑战，正如可持续发展目标所强调的，尤其是气候问题。
作为全球未来理事会量子计算委员会联席主席，我很高兴我们一致认为，世界应投入更多资源（包括教育领域的投入），以发展强大的量子计算能力，助力实现气候变化解决方案、更广泛地达成可持续发展目标以及更多目标。我们热切呼吁加强国际合作，在2030年的时间框架内发展这项重要技术，以对实现可持续发展目标产生影响，尤其是在气候方面。
因此，对我而言，真正的问题是：我们能否及时做到？我们能否在该时间框架内制造出足够强大的量子计算机？我相信可以。当然，我们还可以且应当采取许多其他措施应对气候变化，但开发大规模、经过纠错的量子计算机，是我们不能缺少的一项对冲手段。
