Obliczenia kwantowe same w sobie nie są w stanie osiągnąć zera netto ani „rozwiązać” problemu zmian klimatycznych. Jeśli jednak będziemy współpracować, możemy wykorzystać tę technologię do wprowadzenia przełomowych, ekologicznych innowacji, pisze Ashley Montanaro.
Podczas COP28 w Dubaju światowi przywódcy spotykają się, aby zaradzić kryzysowi klimatycznemu, w tym określić zakres, w jakim technologia i innowacje odegrają rolę.
Jeśli mamy osiągnąć ambicję zerowej emisji netto do 2050 r., musimy wprowadzić wszystkie możliwe innowacje i rozwiązania polityczne.
Skala tego systemowego wyzwania oznacza, że nie da się go rozwiązać za pomocą pojedynczej innowacji – w związku z tym naturalny jest duży sceptycyzm wobec jakiejkolwiek technologicznej złotej kuli, która twierdzi, że jest w stanie „rozwiązać” zmianę klimatu.
Szczególnie naturalny jest sceptycyzm wobec technologii przyjaznej modnym słowom, takiej jak obliczenia kwantowe, a niektórzy twierdzą, że pewnego dnia może ona „zaradzić kryzysowi klimatycznemu”, „rozwiązać problem głodu na świecie”, a może nawet „uratować planetę”.
Jednak jako technologia o ogromnym potencjale pomaga dokładnie zrozumieć, czy, kiedy i w jakim stopniu będzie mogła przyczynić się do rozwiązania kryzysu klimatycznego.
Jednym z najważniejszych krótkoterminowych zastosowań komputerów kwantowych będzie modelowanie układów fizycznych, w których kluczową rolę odgrywa mechanika kwantowa.
Jest to niezwykle wymagające zadanie dla standardowych komputerów, ale idealnie nadaje się do komputerów kwantowych. Okazuje się, że kilka kluczowych technologii czystej energii, w tym ogniwa słoneczne i katalizatory, ma w swoim sercu efekty kwantowo-mechaniczne.
Wykorzystanie potencjału kwantowego w energii odnawialnej
Przyjrzyjmy się przypadku magazynowania energii odnawialnej w bateriach, kluczowego narzędzia w arsenale walki ze zmianami klimatycznymi.
Po latach niezwykłych obniżek cen energia wiatrowa i słoneczna są obecnie tańsze niż paliwa kopalne i są postrzegane jako niezbędne do osiągnięcia zera netto.
Ale oba te źródła zasilania działają sporadycznie. Aby umożliwić zarządzanie mocą w szczytach i dolinach zapotrzebowania oraz obsługiwać pory nocne i bezwietrzne dni, wymagane jest magazynowanie energii. W samej Wielkiej Brytanii National Grid szacuje, że do 2050 r. potrzeba ponad 50 GW mocy, aby osiągnąć zerową moc netto.
W przypadku potrzeb krótkoterminowych wiodącą technologią jest przechowywanie akumulatorów litowo-jonowych. Jednak koszt przechowywania baterii może być ponad trzykrotnie wyższy niż koszt lądowej energii wiatrowej lub słonecznej, co czyni te technologie niekonkurencyjnymi w stosunku do paliw kopalnych.
Jednak w skali jednego dnia nie ma jeszcze komercyjnie sprawdzonej technologii akumulatorów na dużą skalę.
Opracowanie lepszych baterii może radykalnie zmienić naszą zdolność polegania na energii słonecznej i wiatrowej.
Lepsze baterie, czystsza energia
Projektowanie nowych akumulatorów o większej gęstości energii jest kluczową ambicją, ale zostało powstrzymane przez potrzebę przeprowadzenia szeroko zakrojonych eksperymentów laboratoryjnych w celu przetestowania potencjalnych materiałów.
Istnieje oszałamiająca różnorodność możliwych materiałów na akumulatory, ale przetestowanie ich wszystkich w laboratorium zajęłoby zbyt dużo czasu, a istniejące metody obliczeniowe służące do ich modelowania są czasami zbyt niedokładne, aby były przydatne.
Komputery kwantowe umożliwią dokładne obliczanie gęstości energii materiałów akumulatorowych wirtualnie, a nie w laboratorium.
To z kolei umożliwi przebadanie setek nowatorskich materiałów na akumulatory w celu wybrania najbardziej obiecujących do końcowych testów laboratoryjnych.
To nie jest tylko myślenie życzeniowe: wiemy, jak zaprojektować algorytmy kwantowe do obliczania kluczowych właściwości materiałów akumulatorowych — pozostaje jedynie wprowadzić niezbędne ulepszenia wydajności sprzętu i oprogramowania, tak aby algorytmy te mogły być uruchamiane w przypadku znaczących problemów.
Lepsze akumulatory mogłyby również mieć znaczący wpływ na czystą energię, wykraczającą poza samo jej magazynowanie. Mogłyby na przykład umożliwić samochody elektryczne o większym zasięgu lub nawet loty zasilane akumulatorami.
Obliczenia kwantowe mogą również przyczynić się do rozwoju innych czystych technologii, takich jak fotowoltaika do wytwarzania energii elektrycznej oraz nadprzewodniki do magazynowania lub przesyłu energii elektrycznej.
Cel na rok 2030, który ma pomóc w osiągnięciu zera netto do 2050 r
Osiągnięcie zera netto do 2050 r., a nie do 2070 r., może stanowić różnicę między osiągnięciem 1,5 stopnia ocieplenia zamiast 2 stopni – co wystarczy, aby ocalić życie dziesiątek tysięcy ludzi każdego roku.
Zanim nowa technologia akumulatorów przejdzie od prototypu do pełnej komercjalizacji, może minąć 10–20 lat.
Aby zatem obliczenia kwantowe miały znaczący wpływ na osiągnięcie zera netto do 2050 r., pierwsze materiały akumulatorowe odkryte za pomocą obliczeń kwantowych będą musiały nastąpić około 2030 r.
Ten harmonogram jest możliwy do osiągnięcia, jeśli będziemy dążyć do rozwiązania ważnych problemów, takich jak modelowanie materiałów akumulatorowych na komputerach kwantowych niedalekiej przyszłości.
W firmie Phasecraft wykazaliśmy ponad milionową redukcję kosztów algorytmów kwantowych do modelowania materiałów.
Uważamy, że można znaleźć więcej takich redukcji i że możliwe jest modelowanie materiałów akumulatorów, a także innych ważnych układów fizycznych przy użyciu krótkoterminowych komputerów kwantowych.
Ważny element układanki zera netto
Obliczenia kwantowe same w sobie nie są w stanie osiągnąć zera netto ani „rozwiązać” problemu zmian klimatycznych — będzie to wymagało trwałej współpracy międzynarodowej, zarówno między światowymi przywódcami, jak i społecznością kwantową, a także natychmiastowego wdrożenia znaczących cięć emisji.
Jeśli jednak będziemy współpracować, możemy wykorzystać tę technologię do umożliwienia przełomowych, ekologicznych innowacji.
Biorąc pod uwagę pilność tego problemu, rozwój sprzętu i oprogramowania kwantowego musi odbywać się w szybkim tempie – oczekiwanie na w pełni dojrzałą technologię byłoby za późno, aby wywrzeć wpływ.
Obliczenia kwantowe mogą być ważnym elementem układanki zera netto. Mamy nadzieję, że przynajmniej w tej kwestii delegaci COP28 osiągną porozumienie.
