量子技术能够变革创新并缓解气候变化——方法如下

• 当前高能耗技术难以满足我们日益增长的需求，也难以应对我们对网络信息的日益依赖。
  

• 利用量子技术探索疫苗和气候变化的创新令人振奋，有望超越所有现有技术。

“如果你思考量子理论时没有感到头晕，那你就还没有真正理解它。”这句出自尼尔斯·玻尔的话，源于他于1952年在哥本哈根与维尔纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利的一次谈话；后二人是与他一同奠定量子力学基础的关键人物。自那次谈话以来，量子理论及其催生的技术确实改变了我们的生活，带来了激光器、晶体管和智能手机。我们完全有理由相信，基于新兴量子技术的未来发明将革新计算能力，并改变多个领域。

什么是量子技术？

• 量子技术是利用光子、电子、原子或分子的量子特性构建的工程系统。这类技术所需的关键量子特性包括纠缠、叠加和隧穿。
  

• 量子模拟器是一种量子系统，专门用于复现另一个量子现象十分重要的系统的行为。量子模拟器的一个优势是无需控制所有组件，而且其构建远比完整的量子计算机简单。已有可运行的量子模拟器平台，并且其性能已证明可与超级计算机相媲美。这类平台包括囚禁离子或光学晶格中的超冷原子。
  

• 量子计算机是量子技术的终极目标，也是一项艰巨挑战。在经典计算机中，信息编码在比特中，其取值可以是0或1。在量子计算机中，存储单元称为量子比特，一个量子比特可以处于多个状态的叠加态。简言之，n个经典比特一次只能承载一个数值的信息，而n个量子比特可以同时承载2ⁿ个数值的信息。实现量子计算机的一项挑战是识别并制造量子比特，另一项重大挑战则是纠错。

量子革命势在必行

我们正接近一个技术时代的终结——摩尔定律所描述的计算能力增长已不再成立，而构成信息社会基础的技术也几乎达到了其潜力上限。与此同时，我们正面临新冠疫情和气候变化等严峻的全球挑战，同时也期待人们的生活和健康持续改善。在寻求这些挑战的解决方案时，我们遇到了一个障碍：海量数据亟待处理，而这需要远超当前水平的计算能力。

另一个障碍是处理互联网数据量及信息交换快速增长所需的能源。如果无法以可持续、非化石能源的方式大幅增加能源供应，仅凭当前的计算方法，我们根本无法负责任地提供足够能源。

停滞不前就意味着倒退

量子竞赛已经开始，而且理由充分。根据毕马威近期发布的一份报告，全球量子技术市场预计很快将达到500亿欧元，其发展前景确实令人瞩目。没有参与这场竞赛的国家，停滞不前的国家，实际上都在倒退。此外还有国家安全问题，这与数据加密密切相关，而量子技术即将彻底改变数据加密。

能够执行任何通用计算任务的完整量子计算机，或许仍要几十年后才会出现。尽管IBM、谷歌和微软等大型科技公司如今已开始免费提供新兴量子计算平台，但客户付出的唯一代价是数据隐私，以及可能损失知识产权。

我们不应等到完整量子计算机问世后才迈入量子时代，因为由量子技术与经典计算方法相结合的混合解决方案，已展现出优于经典超级计算机的计算优势。其他基于量子的技术，例如量子模拟，也有望成功预测本质上属于量子系统的复杂行为。

量子技术推动行业变革

生命科学领域乃至人类健康都可能因量子技术而发生变革。基于量子的技术尤其适合革新新药探索。量子力学相互作用对分子药物（例如肽或蛋白质）的三维结构和功能至关重要。已知蛋白质的氨基酸序列后，仍有无数种可能的三维构型；关键在于预测自然界会选择哪一种，以及它在生理细胞环境和相关时间尺度内如何发生相互作用。借助量子技术开展此类探索并可靠地识别候选药物，将节省宝贵且昂贵的实验室时间，并有望减少对实验动物和人体试验对象的需求。

新兴量子技术也可能改变能源领域。例如，量子计算机将能够优化电网，并预测各种能源生产和运输方式对环境的影响。当然，基于量子的计算设备效率高得多，因此完成相同任务时的能耗将显著低于传统计算机。此外，量子计算在预测材料性质方面也可能更胜一筹，例如探索更高效的电池或光伏材料；光与材料之间的相互作用本质上就是量子现象。

完整量子计算机的计算能力将以难以想象的方式带来变革。它将使我们能够处理更多信息，速度也快得多，从而理解例如新冠疫情产生的复杂数据，并有望帮助我们更好地为下一次疫情做好准备。此外，处理和分析所有气候数据，将让我们深入了解当前气候变化的成因，并为缓解这些变化、使地球恢复稳定平衡提供有价值的见解。

尼尔斯·玻尔还说过：“预测非常困难，尤其是对未来的预测。”然而，基于量子的技术有望让预测变得更容易，并改变重要领域。因此，研究人员、产业界、政界人士和基金会携手大力推动量子转型至关重要。