劉方雷

任何需要優(yōu)化的領(lǐng)域都可以采用量子計算，它可以是關(guān)于提高能源的性能，也可以是關(guān)于開發(fā)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(jīng)典計算機表現(xiàn)不佳的數(shù)學(xué)問題。假設(shè)有個設(shè)施和個位置，并且需要在每個位置配置一個設(shè)施以最小化能源消耗。從邏輯上講，如果需要經(jīng)常在2個設(shè)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(shè)施和位置的數(shù)據(jù)，比較了量子計算機和經(jīng)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 s秒內(nèi)產(chǎn)生了準(zhǔn)確的答案，而經(jīng)典計算機卻未能在12 h的時間限制內(nèi)完成。這項研究證明了量子計算在優(yōu)化城市規(guī)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(huán)保技術(shù)。根據(jù)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(lián)合發(fā)表的一項研究，一臺量子計算機執(zhí)行相同任務(wù)所需的能量僅為經(jīng)典計算機消耗的0.002 %。計算機消耗的能量巨大，不包括普通的個人電腦和智能手機消耗的能量，數(shù)據(jù)中心本身已經(jīng)占到全球電力的1 %以上。如果數(shù)據(jù)以量子比特的形式存儲，就能節(jié)省大量的能量。

現(xiàn)在世界上最強大的量子計算機是由國際商業(yè)機器公司（IBM）開發(fā)的具有127個量子比特容量的Eagle。然而，科學(xué)家們認(rèn)為，如果量子計算機的容量不能達(dá)到至少1 000個量子比特，那么就沒有商業(yè)用途。量子計算機發(fā)展緩慢主要是由于建造它們的技術(shù)困難。

科學(xué)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干擾的狀態(tài)。然而，電子對外界環(huán)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(huán)境中完成的，這個環(huán)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(tài)，保持電子在這樣的溫度下有助于它們保持穩(wěn)定和較少受外界環(huán)境的影響。這是一種減少退相干現(xiàn)象發(fā)生的方法。然而，當(dāng)退相干發(fā)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?nèi)匀粵]有一個明確的方法來糾正退相干。

雖然量子計算還處于發(fā)展階段，但自20世紀(jì)80年代作為一種理論誕生以來，我們已經(jīng)見證了該領(lǐng)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(tǒng)計算機無法完成的人體分子數(shù)據(jù)來開發(fā)治療不同不治之癥的藥物，到優(yōu)化城市、國家甚至世界的能源效率。