A mudança climática criou um enigma: embora muitos países tenham uma clara (e sobrevivência) econômica (e sobrevivência) Caso para reduções de emissões significativamente acelerando, = Até agora, a vontade política global foi dramaticamente insuficiente= Para resolver o problema.
O mesmo se aplica aos esforços corporativos. As negociações da COP25 em Madri exibiram a falta de consenso global; A esperança agora se volta para a reunião do Fórum Econômico Mundial em Davos, bem como para as negociações da COP26 em Glasgow, para despertar ações necessárias.
A falta de progresso político de curto prazo coloca foco crescente em soluções tecnológicas que podem melhorar decisivamente a economia das atuais tecnologias de emissão zero ou contribuir para o desenvolvimento de novas. A computação quântica pode ser uma dessas soluções. Embora não possa substituir a ação de curto prazo, pode proporcionar alívio crítico no médio prazo. Como um dos pais da computação quântica, Richard Feynman, disse: "A natureza não é clássica, caramba, e se você quiser fazer uma simulação da natureza, é melhor torná-la mecânica quântica". Como construímos casas, carros, navios e aviões; Como nós, transporte; E mesmo como projetamos processos industriais de longa data, como cimento, aço e fabricação de fertilizantes. Adicione tudo e
Quantum Advantage
Because quantum computers employ distributed probability amplitudes rather than work through sequential yes–no decisions, they have the potential to solve problems that are far beyond the reach of today’s machines. As one of the fathers of quantum computing, Richard Feynman, put it, “Nature isn’t classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you’d better make it quantum mechanical.”
For example, if applied to current low-emission technologies, quantum computing could contribute to solutions that change how we generate and store power; how we build houses, cars, ships, and airplanes; how we power transportation; and even how we design long-standing industrial processes such as cement, steel, and fertilizer manufacturing. Add it all up and Tecnologias de computação quântica - 3629 could one day address a majority of emissions.
Quantum computing–enabled technologies could one day address a majority of emissions.
O impacto da computação quântica não está tão distante quanto alguns podem assumir. Embora todo o seu potencial ainda esteja a décadas, os avanços recentes indicam que as máquinas de geração precoce-aquelas que estarão disponíveis nos anos 2020 e início da década de 2030-podem contribuir substancialmente para algumas das tecnologias de maior impacto para combater o aquecimento global. Eles poderiam, portanto, começar a mudar a economia para as empresas em várias indústrias nos próximos cinco a dez anos. Mas isso não impede que também procure quando a computação quântica pode representar o tipo de mudança de etapa na capacidade de que o mundo precisa - especialmente se essa estrada não for longa. Embora seja muito cedo para saber exatamente onde e quando
The world must find ways to take collective action now against climate change. But that doesn’t prevent also looking down the road to when quantum computing could represent the kind of step change in capability that the world needs—especially if that road is not long. While it is too soon to know exactly where and when Avanços por máquinas quânticas ainda imperfeitas podem ocorrer , já podemos discernir várias áreas em que novas soluções podem alterar a paisagem do aquecimento global. (Veja o Anexo 1.) (A linha do tempo discutida aqui é um melhor palpite com base em análises e entrevistas especializadas realizadas pelo BCG. A taxa de progresso dependerá de avanços tecnológicos reais, talvez acelerados por financiamento público e privado e esforços de educação pública.
Novos catalisadores
When it comes to emission reduction, some of the earliest applications for quantum computing could be among the most important. The coming decade—referred to as NISQ, for noisy intermediate-scale quantum—will see the scaling up of machines that are prone to errors and limited in their computation capabilities. Still, advances in hardware and software could enable these machines to accurately model molecular interactions involving 50 to 150 atoms, calculations that are well out of reach of classical computers. This capability could lead to the development of significantly better and more efficient chemical catalysts, which could in turn create breakthroughs in a number of carbon-intensive processes, including the following.
When it comes to emission reduction, some of the earliest applications for quantum computing could be among the most important.
Amônia verde. Não mudou fundamentalmente desde sua invenção há um século. Compreender como as bactérias produzem amônia naturalmente usando significativamente menos energia e replicando a molécula de femoco (o cofator primário da nitrogenase natural) seria um enorme passo adiante. Uma nova tecnologia de produção “verde” para amônia barata não apenas reduzia as emissões em uma das mais CO The Haber-Bosch process for producing ammonia fertilizer currently consumes around 3% to 5% of all natural gas generated globally. It has not fundamentally changed since its invention a century ago. Understanding how bacteria produce ammonia naturally using significantly less energy and replicating the FeMoco molecule (the primary cofactor of natural nitrogenase) would be an enormous step forward. A new “green” production technology for cheap ammonia would not only bring down emissions in one of the most CO2-intensive chemical processes worldwide but also enable the use of ammonia as a carbon-neutral fuel (in shipping, for example). Google’s CEO has predicted that Haber-Bosch could be replaced within ten years.
energia de hidrogênio verde. Isso ajudaria a deslocar os processos de reforma a vapor de metano na produção industrial de hidrogênio. Ainda mais importante, poderia colocar Accelerating the development of new catalysts for splitting water molecules, replacing expensive platinum and increasing the efficiency of current conversion processes, could significantly decrease the production costs for green hydrogen. This would help to displace methane steam reforming processes in industrial hydrogen production. Even more important, it could put Hidrogênio de baixo carbono ao alcance econômico como fonte de energia para transporte e produção de aço. Melhores catalisadores para a produção de hidrocarbonetos sintéticos (geralmente sintetizados a partir de hidrogênio) permitiriam a produção de combustíveis mais acessíveis de emissões para aviação, transporte e transporte pesado e, portanto, ajudarão a resolver o desafio de armazenamento a longo prazo em que os sistemas de energia renovável. na fonte e da atmosfera. Este pode ser um facilitador -chave de
Carbon Capture. Better catalysts could significantly increase efficiency and lower the cost of binding carbon—both at the source and from the atmosphere. This could be a key enabler of Captura de carbono industrial e armazenamento Aplicações e tornam co capturadas co 2 mais atraente como matéria -prima na "economia circular de carbono". A longo prazo, melhores catalisadores também podem permitir soluções escaláveis de emissão negativa através da “captura direta de ar” (e, novamente, reduzir os custos de hidrocarbonetos sintéticos). Materiais mais leves, mais fortes e melhor insultando que requerem menos carbono para produzir podem reduzir as emissões de edifícios, transporte e produção de materiais como cimento. Estes representam 25,2%, 17,6%e 5,5%da Co
New Materials
In the decade following NISQ, scientists expect a step-change improvement in quantum computers’ ability to address more-complex problems, such as those involved in material science optimization. Lighter, stronger, and better-insulating materials that require less carbon to produce can reduce emissions from buildings, transportation, and the production of materials such as cement. These account for 25.2%, 17.6%, and 5.5% of global CO 2 Emissões, respectivamente. Hoje, eles são usados principalmente em aplicações de nicho devido ao seu custo mais alto e outras restrições práticas. No futuro, os recursos de simulação expandidos dos computadores quânticos corrigidos por erros podem conceber fórmulas melhores que possam levar a processos de produção muito mais baratos. Materiais mais leves e mais fortes também podem aumentar o rendimento de energia em carros, aeronaves, caminhões e embarcações marítimas, além de deslocar materiais de uso intensivo de emissão ou energia, como aço e alumínio. Da mesma forma, a densidade de armazenamento de energia elétrica pode ser melhorada com novos materiais de bateria (eletrodos e eletrólitos). Juntos, essas novas eficiências tornariam a energia solar significativamente mais previsível e eficiente. Por exemplo, montadoras, fabricantes de aviões e outros dependem da dinâmica de fluidos computacional no design de seus produtos. Hoje, eles usam ferramentas moderadamente eficazes porque as simulações são limitadas pela incapacidade dos computadores clássicos de modelar o comportamento do fluido em grandes superfícies (ou pelo menos para fazê -lo em quantidades práticas de tempo). Isso implica prototipagem física cara e trabalhosa de componentes. Com os computadores quânticos, os engenheiros podem explorar projetos melhores que otimizam o arrasto e o levantamento e, portanto, reduzem as emissões.
For example, some polymer concretes already offer properties that are superior to those of traditional cement, including high compressive and impact strength, fast curing, low permeability, resistance to chemicals—and a smaller environmental footprint. Today, they are used mostly in niche applications because of their higher cost and other practical restrictions. Going forward, the expanded simulation capabilities of error-corrected quantum computers could devise better formulas that could lead to much less expensive production processes. Lighter and stronger materials could also increase the energy yield in cars, aircraft, trucks, and maritime vessels, as well as displace emission- or energy-intensive materials such as steel and aluminum.
Current photovoltaic cells have a 30% to 50% yield, leaving room for doubling efficiency with new cell materials. Similarly, electrical energy storage density could be improved with new battery materials (electrodes and electrolytes). Together, these new efficiencies would make solar power significantly more predictable and efficient.
Fluid Dynamics and Logistics
Error-corrected quantum computers would improve the design and operation of equipment affected by fluid dynamics, especially when coupled with better quantum data encoding (known as QRAM). For example, automakers, airplane manufacturers, and others rely on computational fluid dynamics in the design of their products. Today, they use moderately effective tools because simulations are limited by classical computers’ inability to model fluid behavior on large surfaces (or at least to do so in practical amounts of time). This entails expensive and laborious physical prototyping of components. With quantum computers, engineers could explore better designs that optimize both drag and lift and therefore reduce emissions.
Airbus, entre outros, está explorando como a computação quântica pode produzir essas soluções. Ele está analisando especificamente como a computação quântica pode ajudar a otimizar a trajetória de escalada de aeronaves, o que é especialmente importante em voos de curta duração e melhorar o design da caixa de asa para otimizar o peso, mantendo a integridade estrutural. A mesma lógica se aplica ao transporte marítimo, que, como a aviação, representa até 2% das emissões globais. Cada fator pode aumentar o tamanho do problema exponencialmente. Os computadores quânticos têm a capacidade de explorar esses problemas com mais eficiência e extensivamente os computadores clássicos e devem oferecer vantagens, mesmo em relação às abordagens emergentes baseadas em IA. Combinado com o surgimento de novas soluções de mobilidade nos próximos 10 a 20 anos, como direção autônoma e transporte compartilhado, isso pode resultar em economia de energia de transporte.
Another field for potential quantum optimization is the improvement of complex supply chains, which are notoriously difficult to optimize because of the many factors involved, such as product variants, transportation modes and routes, client constraints, and cost. Each factor can increase the problem size exponentially. Quantum computers have the capability to explore such problems more efficiently and extensively than classical computers and should offer advantages even relative to emerging AI-based approaches. Combined with the rise of new mobility solutions in the next 10 to 20 years, such as autonomous driving and shared transportation, this could result in savings in transportation energy.
da descoberta quântica à implantação
Embora o potencial seja real, atingir ele exigirá um esforço e investimento consideráveis. Para gerar impacto verdadeiramente global, as tecnologias habilitadas para quantum precisarão ser industrializadas e implantadas com sucesso em todo o mundo. (Consulte a Figura 2.) E embora os recursos de modelagem da Quantum Computers possam apoiar a industrialização, a implantação bem -sucedida dependerá de muitos outros fatores, como o grau de melhoria em relação aos processos anteriores e o impacto dos incentivos regulatórios e econômicos.
para acelerar o progresso, os governos e a indústria precisam avaliar seus investimentos em software de computação quântica, hardware e talento. Tais investimentos beneficiarão o planeta, mas também podem ter um impacto significativo na competitividade nacional e corporativa. Aqui estão algumas áreas potenciais de foco. Mas esses algoritmos ainda exigem computadores que possam sustentar 10 milhões de operações quânticas, por isso precisamos de mais inovação. A Zapata Computing, cujo fundador foi pioneiro em algoritmos importantes de variação, melhorou algumas tentativas anteriores, combinando as capacidades dos computadores clássicos e quânticos. No curto prazo, mesmo meras abordagens "inspiradas quânticas" usando computadores clássicos introduzidos pela Microsoft e outros são promissores. As tecnologias que poderiam representar o equivalente ao transistor (entre elas, supercondutor, armadilha de íons, baseadas em fótons ou silício e topológica) requerem mais pesquisas e financiamento. As habilidades quânticas levam tempo para se desenvolver. A atual escassez de talentos em inteligência artificial ilustram como as empresas podem ser frustradas abruptamente quando uma tecnologia de alto impacto faz a transição da pesquisa para o desenvolvimento. Programas como o mestrado da ETH Zurique em engenharia quântica podem valer a pena introduzir de maneira mais ampla em universidades e escolas de engenharia.
Climate Change–Related Algorithms. BASF and HQS Quantum Simulations have advanced the current state of the art in algorithms for replacing Haber-Bosch in fertilizer production. But these algorithms still require computers that can sustain 10 million quantum operations, so we need more innovation. Zapata Computing, whose founder pioneered important variational algorithms, has improved some earlier attempts by combining the capabilities of classical and quantum computers. In the near term, even mere “quantum inspired” approaches using classical computers introduced by Microsoft and others are promising.
Quantum Computing Hardware. Today’s quantum computers are still in the equivalent of classical computers’ vacuum tube age. The technologies that could represent the equivalent of the transistor (among them, superconducting, ion-trap, photon- or silicon-based, and topological) all require more research and funding.
Quantum Computing Talent. By our estimates, the quantum computing community probably has a few thousand scientists worldwide. Quantum skills take time to develop. The current talent shortages in artificial intelligence illustrate how companies can be thwarted abruptly when a high-impact technology makes the transition from research to development. Programs such as ETH Zurich’s master’s degree in quantum engineering could be worth introducing more broadly in universities and engineering schools.
The current talent shortages in artificial intelligence illustrate how companies can be thwarted abruptly when a high-impact technology makes the transition from research to development.
algoritmos de inspiração quântica para computação clássica. Os algoritmos clássicos de computadores podem se beneficiar das novas maneiras da Quantum Computing de analisar os problemas (alavancando a interferência de amplitudes de probabilidade distribuída) em combinação com as recentes melhorias no aprendizado de máquina. Eles podem oferecer soluções imperfeitas, mas boas o suficientes, mais cedo do que o cronograma de hardware quântico-em particular durante a década do NISQ. O aprendizado de máquina já é capaz de aproximar alguns cálculos de função de onda que sustentam os casos de uso químico quântico para novos catalisadores e novos materiais.
We need to intensify our efforts in the fight against climate change. Technology offers much-needed support. Quantum computing could help bring more low-carbon technologies into economic reach. It is in the best interest of governments and companies to fast-track progress in the race for our future.
BCG’s Center for Climate & Sustainability
We partner with clients across the public, private, and social sectors to align their strategy, operations, and stakeholder engagement with a low-carbon world. Our work is supported by BCG’s range of consulting experience across all industries and capabilities, as well as by our expanding reach of brands.
