其他
联合国白皮书：量子能源——未来30年的主导力量？
报告链接：https://static1.squarespace.com/static/65782d915f32dc08287e5163/t/65797899898c0672833a7ef8/1702459875640/White_Paper_Towards_Regenerative_Sustainable_Impact_Quantum_Computing.pdf
该文件论证了量子计算将成为控制与IT（尤其是大型数据中心）相关的能源消耗成本飙升的重要手段。
量子计算机有潜力以更节能的方式解决某些问题，它们对于全球可持续发展的关键问题提供了新的见解。
论文链接：https://www.mdpi.com/2078-1547/6/1/117
以“Frontier”为例，它是目前世界上最快的超级计算机，每天耗电量超过500兆瓦时，相当于17000个家庭的日用电量。
而量子计算机不仅可能以远超传统计算机的速度完成任务，还显示出其能源需求远低于传统计算机的迹象。尤利希超级计算中心正致力于将量子计算机集成到其计算环境中，以利用这一优势。
正如克里斯特尔·米希尔森（Kristel Michielsen）教授所指出的，量子计算机正在与超级计算机结合，创造出高效的混合系统。米希尔森教授负责协调HPCQS项目，并负责尤利希量子计算机基础设施JUNIQ。
报告指出，通过将量子计算与人工智能和大数据分析结合，可以加速环境创新，利用协同效应。这将有助于发现综合解决方案，如智能电网、可持续农业实践和循环经济机制，最大化对环境的积极影响。
“量子优势会带来能源消耗优势吗？我们仍然不得而知，但我们今天可以说的是，目前量子计算机的用电量比任何超级计算机都要少得多。作为最昂贵的架构，超导量子比特的耗电量仅为25千瓦——这相当于每天消耗600千瓦时，比Frontier超级计算机少一千倍；中性原子量子设备（如 PASQAL）的耗电量要少得多，仅为3千瓦。但同样，目前的量子计算无法解决Frontier（美国超级计算机）能够解决的所有问题。”
随着化石燃料等传统能源的迅速枯竭，以及它们对环境的负面影响，全球急需寻找替代能源以满足不断增长的能源需求。这些替代能源的尝试包括太阳能、风能、地热能、水能、核聚变反应堆、氢能和钠离子电池等。虽然这些努力都值得肯定，但大多数仍面临严峻挑战，因此取得的成功有限。在寻找化石燃料的可行替代品的过程中，人类的智慧再次受到考验。然而，答案可能出现在最不可能的地方——现实的量子性质。
量子理论虽然在一个多世纪前就已确立，但在物理学界仍是一个热议和争论的话题。其部分原因在于量子理论的非直观性——我们难以想象世界在如此微观的尺度上是如何运作的。量子尺度下的宇宙显得异常奇特，似乎违背了传统逻辑。简言之，量子理论就是非常奇怪。因此，尽管量子理论是迄今为止最成功、最精确的理论之一，它仍未完善，有些基本问题尚未解答。
在我们努力理解大自然的运作方式的过程中，我们发现了一条意想不到的道路。现在，我们面临一个重要的问题：是否有可能利用物质的量子特性来创造一种新的替代能源？
正在进行的研究表明，量子处理器上的实验已经开始实现联合国可持续发展目标中的一些用例。这些用例包括药物发现计算（助力基本医疗保健、药品和疫苗的获取）、可再生能源的开发（对减缓气候变化和保护生物多样性至关重要）、以及智能城市和交通系统的建设（对健康和循环经济极为重要）。
最近在量子电池和量子发动机领域的研究表明，量子技术可能确实是未来能源生产的关键所在，我们对此领域的了解甚至还处于初步阶段。
1）量子电池
尽管量子电池目前仍然是一个遥远的目标，但由东京大学和北京计算研究中心的科学家组成的研究团队取得了重大突破，加速了量子电池成为现实的步伐。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.240401
与依赖锂等材料储存电荷的传统化学电池不同，量子电池利用单个粒子如光子来储存能量。
这个研究团队采用的核心概念是一种称为“无限因果顺序（ICO）”的纯量子现象，这一现象改变了我们对时间流的常规理解。在宏观世界，事件遵循因果关系：如果事件1在事件2之前发生，那么事件2就不可能在事件1之前发生。然而，在量子世界中，情况可能不同：ICO意味着，通过“叠加”原理，事件1导致事件2和事件2导致事件1可以同时发生。这导致了一个意想不到的结果，即使用低功率充电器比使用相同设备的高功率充电器可以提供更高的能量和效率。
这一突破对于便携式设备以外的应用也有深远的影响：ICO在量子系统内操纵热传导的能力可以彻底改变太阳能捕获技术。由于热量损失，太阳能电池板的效率会降低，但利用ICO可以减少这些损失，从而显著提高能量输出。
2）量子发动机
量子发动机是一个比电池更复杂的项目，但德国凯泽斯劳滕大学的研究人员的工作表明，它们在未来可能具有巨大潜力。与利用“卡诺循环”将热能转化为机械功的传统发动机不同，这种特殊的量子发动机利用量子粒子的统计特性产生的能量差异。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06469-8
量子力学表明，自然界由两种粒子组成：玻色子和费米子。任何能量状态都可以容纳无限多的玻色子，但同一时间只能容纳一个费米子，这意味着没有两个费米子可以占据相同的状态，这就是著名的“泡利不相容原理”的基础。
虽然在室温下这种效应不太重要，但当我们将粒子冷却到绝对零度（-273摄氏度或0开尔文）时，这种效应变得越来越显著。玻色子会堆积在能量最低的状态，而费米子会不断上升并相互堆叠，从而增加系统的能量。因此，在极低温度下，费米子比玻色子拥有更多能量。
在本世纪初，人们发现可以利用磁场将费米子气体转化为玻色子气体，反之亦然。当这个过程循环进行时，费米子和玻色子之间的能量差原则上可以转化为机械能，这与传统发动机的工作原理类似。但量子发动机的主要区别在于，其驱动力不是利用热量，而是基于量子粒子本身的基本性质差异。
尽管这项实验目前仅仅是一次概念验证，但它所展现的潜力不容忽视。量子发动机不仅有望在未来为量子计算机和量子传感器提供动力，而且完全有可能为更大的应用领域提供能源。
例如，虽然核聚变被视为最清洁的能源之一，但其依然完全依赖于诸如氚这样的稀缺材料。最近的半导体短缺严重影响了2023年电动汽车的生产，预示着该行业未来可能面临锂资源的供应紧张。虽然绿色氢气前景看似光明，但其昂贵和效率低下的特点使其目前尚未具备经济可行性，未来能否取得进展尚不明确。
在这种背景下，量子技术或许能提供一种新的解决方案。它不直接依赖于任何外部资源，而是依靠物质本身的性质产生能量。尽管量子技术要成为一个实用的能源来源可能还需要数年时间，但其潜在的巨大潜力不容忽视。
例如，未来量子电池可能可靠地替代锂离子电池。鉴于锂矿开采的环境成本以及其资源的日益稀缺，世界迫切需要一种可持续的替代方案，而量子技术可能正是答案。
为了实现2070年的零净能源目标，印度继续在替代能源方面进行大量投资，其中国家绿色氢能计划就是最新的举措之一。这一举措与全球趋势相一致，即在可再生能源和量子技术领域取得了显著的进展和投资。
欧洲正努力成为世界上第一个“量子谷”。由欧盟支持的量子旗舰计划旨在建立一个用于科学和工业应用的自主量子技术生态系统。这一倡议得到了大量投资的支持，具有经济和技术主权的战略重点。
在美国，联邦投资和对脱碳的日益需求正在推动可再生能源的迅速部署。据能源信息管理局预计，到2024年，可再生能源部署量将增长17%，占该国电力生成的近四分之一。
量子计算在可再生能源领域也展现出巨大潜力，提供了提高可再生能源技术性能和效率的机会。量子计算的融合预计将加速解决与工业、科学和技术相关的特定问题。
在全球范围内，各国正在量子技术方面进行重大投资。例如，澳大利亚通过联邦资金投资了1.3亿澳元用于量子技术的发展，新加坡政府帮助成立了量子技术中心（CQT），印度政府推出了总预算为800亿卢比（约合10亿美元）的国家量子技术和应用任务（NM-QTA）。以色列和美国也在量子技术方面积极投资，以色列为期六年的量子技术计划获得了3.5亿美元的资金支持，美国通过国家量子倡议法案为量子技术的发展提供了超过12亿美元的资金。
可再生能源和量子技术的全球格局正在迅速演变，这些努力不仅对实现长期能源目标至关重要，而且对于解锁量子技术在包括能源生产在内的各个领域的潜力具有重要意义。