让地球更美好！量子技术助力联合国17项可持续发展目标

光子盒研究院出品

目录

1. 可持续发展行动的必要性：迫不及待

2. 新兴技术发展：加速向可持续性过渡

3. 量子：一项可能带来变化的关键技术

4. 评估量子技术的潜在影响：联合国的可持续发展目标

5. 发展的道路：平衡且负责

6. 对每项可持续发展目标的评估

01

可持续发展行动的必要性：迫不及待

我们正处于联合国生态系统恢复十年的初期，这无疑是一个积极的指标，许多行业领导者现在认识到需要采取措施来解决我们所有人面临的、最关键的全球挑战。政府、行业和消费者对环境可持续发展需求的这种认识的提高，加剧了全球范围内正在上升的几个关键趋势，如：

1）对去碳化的热忱和对净零的竞赛。越来越多的公共和私人组织将自己的目标定为在2050年或之前实现净零排放，作为更广泛的脱碳进程的一部分。

2）消费者对可持续产品和服务的需求不断增长。新一代的消费者意识到了气候变化的影响和可持续性的需要。更重要的是，他们愿意做出积极的贡献，主动推动公司以可持续的方式生产产品和提供服务；积极的消费者需求也导致了各行业对循环经济的采用。

3）增加可再生能源的比例。在工业界努力实现去碳化目标的过程中，首先要做的是用当地/地区的可再生能源，如太阳能、风能和其他能源，取代目前高比例的传统化石燃料能源（石油、煤炭和天然气）。此外，由于技术的进步，可再生能源的成本正在逐步降低，较低的价格有助于推动消费者转向采购绿色能源的意愿。

4）环境、社会和治理（ESG）投资的上升。基于ESG原则的投资势头越来越强，近年来，由于新冠疫情导致的思维变化，这种势头更加猛烈。根据彭博社的分析，到2025年，全球ESG资产有望超过50万亿美元，占预计管理的140.5万亿美元总资产的三分之一以上。

因此，各公司正在寻求采用关键技术和方法来实现其承诺的可持续发展目标。

02

新兴技术发展：加速向可持续性过渡

技术已日益成为我们生活中不可缺少的一部分，它的使用对我们的社会和环境有重大影响。新的突破性技术经常出现，为我们提供了一个机会：将以前所未有的方式加速变化，并提高人类的生产力和生活经验；采用这些技术也可以帮助我们对可持续性产生积极的影响，例如，通过提高效率来减少排放和浪费。

新兴技术，包括5G、创意人工智能、区块链、元宇宙，都有可能帮助实现各行业的一些可持续发展目标；但是，也应该注意到，有些技术确实包含了一些折衷，也可能是有害的。尽管如此，全球各地的行业和政府已经开始探索这些技术在环境可持续性方面的众多使用案例和应用的实用性，并且正在权衡、并评估积极和消极的影响。

量子技术为未来技术驱动的可持续性提供了大量的机会。量子技术是以量子物理学为基础的，它有一个多世纪的历史。量子技术基于量子力学原理：利用电子的自旋或光子的方向等特性的亚/原子粒子的物理学，以及叠加和纠缠理论。

三种广泛的量子技术正处于不同的发展成熟度，但尽管如此，现在它们的潜力已经开始走出科学研究的环境，具有现实世界的应用。通过利用量子原理，在未来的几年里，将有可能制造出具有空前计算能力的量子机器，利用量子传感器开发出更多的高灵敏度设备，并利用后量子加密和量子密钥分发方法开发出最安全的通信系统。

03

量子：一项可能带来变化的关键技术

量子技术包括量子计算、量子通信和安全，以及量子传感。

如前所述，这些量子技术仍处于起步阶段；一些工业和研究驱动的项目已经达到概念验证阶段，但到目前为止，与现有技术相比，有形的、现实世界的优势仍有一段距离。然而，展望未来，量子的影响预计将是实质性的和变革性的，其使用案例在许多行业中比比皆是，从优化到机器学习、模拟、精确传感和安全。

1）量子计算

量子计算领域产生了大量的炒作，这部分归功于硬件公司和风险投资商的高额投资。量子计算的构件，即量子比特，与经典硬件比特有着根本的不同：经典比特可以处于二进制0或1的状态，而量子比特可以处于|0⟩或|1⟩的量子态，或者处于|0⟩和|1⟩的叠加态。也就是说，在某些情况下，量子计算有可能在计算能力方面提供指数级的加速，特别是在处理复杂数据时。

量子计算的用例集中在这种同步处理能力上，以解决经典计算机在现实时间范围内无法处理的、先前难以解决的问题。一些例子是基因治疗、药物模拟、空气动力学建模、供应链优化、金融建模，以及更多。量子计算机有望带来价值的应用领域可以高度归纳为三个领域：优化、模拟和机器学习。

• 优化。工业中的许多复杂问题都与优化有关。寻求改进的例子有很多，包括提高企业或制造过程的整体效率、提高产品性能、降低生产或交付的整体成本、增加投资回报、货物的有效路线，以及其他物流或供应链问题。这些问题大多是基于几个变量和解的组合，任务是在已知变量的情况下找到可能的最优解。用经典方法解决这类问题可能非常耗费时间和资源，而量子计算机在处理和灵活处理多因素变量所需的时间和高水平的准确性方面，有望高度有效地处理这类复杂的优化问题。
• 模拟。另一个预期的应用是对材料及其特性和相互作用的有效模拟。这种计算目前对经典计算机来说是难以实现的；即使使用超级计算机，也无法准确地模拟或计算这些特性。例如，在开发新药或化学品时，制药和化学公司需要评估特定分子的确切性质，以了解它们与其他分子的反应。使用经典方法模拟化学是一项具有挑战性的任务，但量子计算机有可能准确和更快地模拟复杂分子及其相互作用。

• 机器学习。近年来，机器学习在商业和工业应用中的使用取得了重大进展，人们对它所能带来的价值也有所认识。而现在，随着量子计算机的日益发展，探索量子计算与机器学习的相互作用是另一个重点领域，有望带来更多价值。标准的应用场景是量子增强型机器学习，它指的是在量子计算机上用于分析经典数据的机器学习算法。这也可能涉及一种混合场景，用经典和量子计算机结合处理经典数据和量子/自然数据，合适的算法将结合利用两者的优点。

量子计算机的持续发展为我们描绘了一幅具有空前计算能力的未来图景，但我们需要谨慎和注重实用主义。虽然近年来取得了重大进展，但目前的技术状况与最终的承诺相去甚远。量子比特的质量和稳定性，以及我们可以在这些量子比特上进行的操作，在当前一代量子计算机中容易出错，这些计算机被称为NISQ（含噪声中等规模量子）设备；未来一代的量子计算机，预计将实现全部承诺，被称为大规模容错（LSFT）计算机。量子计算机的新生状态无疑将限制工业界在短期内解决实际用例的采用水平；然而，随着技术的成熟，基于性能、能源效率和环境影响，量子计算机与经典计算机的作用将变得清晰。

我们相信，量子的潜力将在长期内实现。

2）量子通信

量子通信描述了量子态、系统和组件在通信协议中的产生和使用。

它利用量子力学的特性来保护数据，并提供一种新的通信机制，这种通信的重要方面是它将提供信息传输的安全性。随着量子通信技术的成熟，它有望实现安全通信。它将成为未来通信网络的骨干、提高数据安全性、减少敏感信息的欺诈性盗窃。

目前，有两种有希望的方案可以取代支撑当前通信系统的公钥-私钥密码学。量子密钥分发（QKD）是一个密钥加密分发协议（使用离散变量QKD和连续变量QKD），以产生“量子”密钥，可用于在经典信道上用经典加密技术进行安全信息交换。密钥利用量子力学的规则进行分发，任何监听行为都会留下可检测的干扰痕迹。海森堡不确定性原理指出，如果量子态被观察到，状态就会发生变化，拦截行为可以被检测到，从而实现安全通信。

后量子密码学（PQC）改变了当前经典网络的加密标准，使其成为量子安全的。它描述了被认为是对量子计算机攻击安全的加密算法，包括基于格的、基于哈希的和多变量的密码学。

3）量子传感

我们预测这将是第一个在量子领域产生真正商业成功的技术。这是一类传感器，提供了一个非常高的灵敏度来测量基于某些量子现象的物理特性，如量子退相干和量子纠缠。这些量子传感器有可能带来性能上的逐步改变：它们比目前的技术更敏感、更准确，在某些情况下更稳定。

由于已经取得的进展，市场分析家预测，在汽车、消费电子、医疗保健、工业、航空航天和国防工业的各种测量设备中采用量子传感器会有很大的吸引力。此外，工业4.0与物联网技术的普及，以及传感器尺寸的缩小，将加速其采用。

量子传感行业目前正在开发一个令人印象深刻的设备清单，包括原子钟、单光子探测器、PAR传感器、量子激光雷达和量子雷达、重力传感器、原子干涉仪、磁力计、量子成像设备、基于自旋量子的传感器和量子旋转传感器。我们相信量子这一领域的潜力对商业和社会都是非常重要的。

04

评估量子技术的潜在影响：联合国的可持续发展目标

在下面的章节中，我们将探讨量子技术如何潜在地帮助解决可持续发展问题。

我们以联合国定义的17个可持续发展目标（SDG）为框架，评估未来利用这些颠覆性技术可以实现的潜在价值；在这次评估中，我们重点关注量子计算和量子传感带来的价值。我们没有特别考虑量子通信的影响，因为我们认为它是一种横向的技术，可以为大多数可持续性领域提供安全的通信。

2015年，联合国及其所有成员国确定了一系列17项全球目标，旨在成为“为所有人实现更美好和更可持续的未来的蓝图”。这些可持续发展目标（SDG）旨在解决全球挑战，包括贫困、不平等、气候变化、环境退化、和平和正义。这些目标相当广泛且相互依赖，每个目标都确定了具体的目标和指标。其中一些目标有到2030年实现的时间表，有些则没有任何这样的具体目标日期。

目前的量子计算机仍处于早期开发阶段，需要经过重大改进才能实现其承诺。尽管在多个方向上都有快速的进展，包括硬件、软件和算法，加快了获得量子优势的时间，但很难预测时间线。因此，在研究/分析中考虑了可持续发展目标和相关的使用案例，将这些目标作为一个框架，以评估量子可以用来实现真正的和可持续的变化的程度。基于这些综合评价，报告制定了以下表格：

量子计算（优化、模拟和机器学习）和量子传感对17个可持续发展目标可能产生的潜在影响程度的总结。

根据我们在上表中的分析，量子技术在积极影响可持续发展目标方面有很大的潜力，但程度明显不同。虽然量子不会是解决所有弊病的灵丹妙药，但在某些领域，它提供了一个新的创新平台，有可能改变一些行业和领域的关键活动，从而实现这些目标。

05

发展的道路：平衡且负责

本报告提供了对量子技术在优化、机器学习、模拟和传感方面的分类，以及可能带来的机会的洞察力。事实上，政府和工业界已经在实际硬件上投资于用例研究和概念验证。

大规模的优化问题，如加强供应链、路线和交通管理或改善能源基础设施，是无处不在的，这一事实表明，适度的量子加速可以为广泛的可持续发展目标带来巨大的好处，如可负担的清洁能源和工业、创新和基础设施。

量子模拟也许对可持续发展目标具有最大的潜在影响。众所周知的潜在应用和研究，如FeMoco问题（模拟固氮，以改善肥料生产的工业催化剂），在理论上证明了速度的提高，并可以大幅减少排放。通过量子模拟开发新材料可能是另一个高潜力的领域。例如，开发改进的电池（戴姆勒和IBM）可以改善负担得起的清洁能源和更有效的电动汽车的可用性。

与经典机器学习类似，量子机器学习（QML）在整个可持续发展目标中具有广泛的适用性。从长远来看，量子机器学习可以加快计算密集型的机器学习操作，从而产生更大、更准确的模型。这可能给深度学习应用带来的进步，如自然语言处理或计算机视觉，可能会影响大量的可持续发展目标。在短期内，量子机器学习有可能在选定的应用中在更少的数据上学习得更快。

此外，尽管量子传感被认为比量子计算更小众，但它对可持续发展的影响也不应被忽视。量子传感器提供了监测环境的新方法，在向更清洁和更健康的生态系统迁移的过程中可能是至关重要的。例如，量子传感器可以在以下方面发挥重要作用：探测天然气管道的泄漏，并减少高效力的温室气体的排放。

不过，目前在使用量子和关于可持续性方面也存在一些不应低估的实际困难：

• 获得技能和资源的机会。从量子计算中获益高度依赖于资源的获取：不仅是硬件、基础设施和软件，还有稀缺的专业知识和科学技能；这将挑战任何组织购买或建立必要的技能，然后利用它们来开发和实施新产品和服务。
• 资源的公平性。如果稀缺的量子设备的技能和使用权掌握在少数（主要是第一世界）公司手中，这可能导致对竞争对手的重大商业优势。资源的不平等可能会产生具有巨大购买力的“超级”玩家，而量子计算机在可预见的未来不太可能被公开使用。积极努力实现访问的民主化，最终将使产业和社会受益，并有助于更好地实现这些目标。
• 运行问题。量子计算机的建造成本很高，而且难以编程。目前，使用受到运行问题的阻碍，如一致性损失、错误和来自外部环境的噪音，而且它们需要在超低温度（-237.78℃）下运行和维护以提供稳定性。但新的模式正在出现，如QCaaS，这将使资源更容易负担。

这些挑战意味着，政府和企业必须采取平衡和负责任的方法来使用量子技术。在寻求使用量子时，首先必须对量子项目进行影响研究，然后应考虑到能源使用和影响等环境标准。量子计算的目的不是为了取代经典计算机，而是为了补充经典计算机。

其次，建议采用渐进式的实验方法，首先建立小型的倡议或概念证明，以证明量子技术的可行性和优势，然后再扩大规模。通过这种方式，真正的价值将在实际应用或实施中得到评估和实现，而不是在商业案例或建议中。

也就是说，考虑到可持续性挑战对人类生活的广泛影响，包括气候变化，政府、工业和商业，以及科学、学术和技术领域的个人。有责任探索所有新兴和突破性技术的潜力，以解决这些紧迫和关键的挑战。

当然，当务之急是采取行动，而且要有共同的意愿。

06

对每项可持续发展目标的评估

1）SDG 1：无贫困——消除各地一切形式的贫困

这一目标旨在消除各种形式的极端贫困，包括缺乏食物、清洁的饮用水和卫生设施。实现这一目标包括为气候变化和冲突造成的新威胁找到解决方案。SDG 1不仅关注生活在贫困中的人，还关注人们所依赖的服务以及促进或防止贫困的社会政策；尽管不断取得进展，世界上仍有10%的人口生活在贫困中，为满足基本需求而挣扎，如健康、教育、获得水和卫生设施。

作为分析的一部分，量子技术的直接应用可以帮助实现这一围绕基本服务、技术和经济资源的平等权利的目标。这主要涉及优化有效使用和分配资源，在一些具有不同水平结果的类别中，量子计算机的处理能力将是有用的，可以帮助实现这一目标。例如，量子模拟可用于材料科学，推进水过滤和膜技术的研究，以提供饮用水和废水处理。

另一个目标（SDG 1.5）是关于建立对环境、经济和社会灾难的复原力。量子计算在进行复杂的风险建模时可能非常有用，有各种不同的输入参数来评估灾难性事件造成的潜在影响或水损失。

此外，量子机器学习在处理来自各地区/国家不同来源的国际人口及其人口统计的庞大数据集并提取相关的见解方面可以发挥作用，这将有助于预测并更准确地规划资源分配需求。

2）SDG 2：零饥饿——消除饥饿，实现粮食安全和改善营养，并促进可持续农业

根据可持续发展目标网站，有23.7亿人没有食物，或无法定期食用健康均衡的饮食。儿童和育龄妇女因营养缺乏而患贫血，Covid-19大流行病使这种营养不良的状态更加恶化。

应用于这一目标的最知名、最有前途的量子用例之一，是使用量子计算来提高氨的生产效率和经济性，氨被用于制造肥料以提高农业生产力。目前用于生产化肥用氨的人工固氮技术消耗了全球总能源的约2-3%，还导致了更多的二氧化碳释放到大气中；然而，大自然可以通过特定的细菌，利用生物固氮作用，以最少的资源承担这一复杂的过程。由于量子计算机天生适合模拟自然过程，预计有一天量子计算将有可能利用模拟生产催化剂或通过更经济和环保的方式改进生产氨肥的过程。

影响这一目标的量子模拟的其他用例或应用包括：

• 更有弹性的植物物种以增加粮食产量。植物基因组的量子模拟有可能改善一些特性，如对变化的天气条件的适应性或最大限度地提高作物产量，这样农民就可以采用可持续的做法。
  
• 天气和极端事件模拟。能够更准确地模拟极端天气、干旱、洪水和其他自然灾害的影响。
• 精确耕作，提高产量与投入的比率。量子机器学习能力可用于精准农业的过程中，最明显的是通过应用物联网、无人机和视觉分析，实现最佳用水量和最佳施肥量以及产量预测。
• 高效的食品运送路线。食品价值链的主要挑战之一是如何以高效和及时的方式将易腐货物送到消费点，同时最大限度地减少浪费，并减少由此产生的碳足迹。
• 有效利用土地和其他资源。优化土地资源的使用和不同用途的分配，对确保粮食生产力达到最佳状态至关重要。通过可持续的农业实践，碳封存（将碳放回地下）的总潜力在300至400千兆吨之间，几乎是2021年世界排放量的10倍。量子计算机能够利用量子优化算法，帮助找到场地、空间和资源的最佳利用方式。

量子传感技术在以下应用中也有很大潜力：

• 感应地下水。重力测量和陀螺仪可用于识别重力异常和不同条件下的地球观测，以帮助水的定位和提取。
• 追踪大肠杆菌。量子测磁法可用于追踪食品生产中的细菌和其他污染物，涉及磁性纳米粒子追踪器和量子野生动物监测磁力计。
• 监测野生动物。量子成像技术可用于空中或卫星成像，通过树冠和云层，提高分辨率，与其他成像方法一起用于监测野生动物的运动和迁移。
• 光合作用辐射。光合活性辐射（PAR）仪是另一种类型的量子传感器，可用于测量活性光合辐射。这在园艺部门的温室和生长室中是很有用的，可以有效地利用光来提高生产力。

3）SDG 3：良好的健康和福祉——确保所有年龄段的人都享有健康的生活

在生命科学和医疗保健领域，有许多量子计算的用例正在被探索。它们有可能大大改善药物发现的过程，通过精确的分子动力学模拟设计和开发新的药物，以及优化化学和生物过程。

量子计算机在药物发现中的另一个应用是在预测蛋白质折叠方面，使用经典计算机被认为是非常困难的。量子计算可以通过基因组分析帮助精准医疗，还可以促进增强型疗法和特定目标或定制的病人治疗的发展；基因组测序的过程也可以大大加快。

量子机器学习算法也正在开发中，以对基因组数据进行分类，与传统方法相比，它能以前所未有的速度完成分类任务。这些量子机器学习方法可以大大增强病理和成像分析的自动化，作为诊断过程的一部分；一些制药公司已经在调查预测和模拟以更短的时间框架和更具成本效益的方式改善病人的结果。认识到这种潜在的量子优势，生命科学和制药业的领先行业参与者在2020年共同组建了QuPharm，以推动量子计算在制药业的实施。

除了计算，量子传感还可以在以下应用领域使用：

• 医学成像。脑磁图（MEG）是一种测量大脑电流产生的磁场的测试。量子测磁法有可能改善这种医学成像的应用，特别是对老龄人口的大脑健康分析非常有用。
• 更容易获得的监测设备。量子磁测量法也可用于机械解剖图（MMG），观察肌肉收缩表面的机械信号。这可能会导致开发出更容易获得的监测设备，能够部署在临床环境之外，这既可以改善获得这种医疗监测的机会，又可以减少医疗服务的资本成本。
• MRI设备。通过量子传感和量子机器学习的结合，现在有可能出现新一代的MRI设备，它具有更强的传感和实时性。
• 体外诊断。量子传感器可以帮助开发用于体外诊断的功能化纳米钻石，提高侧向流动灵敏度。这可以帮助检测疾病或跟踪波动的磁场，并用于监测一个人的整体健康，有可能帮助治愈、治疗或预防疾病。
• 大脑成像。通过量子点的近红外（NIR）成像可用于脑部血液的成像。大脑中的血液成像，以检测脑部含氧量和其他情况。

4）SDG 4：优质教育——确保包容性和公平的优质教育，促进所有人的终身学习

采用量子机器学习（QML）可以帮助实现个性化的自适应学习方法，并通过利用学生数据对学生的学习需求做出明智的决定。此外，QML结合优化算法还可以帮助定义和预测学生获得相关技能的必要学习路径，或获得体面工作和创业的必要学习成果（如目标4.3和4.4的要求）。

此外，QML还可以帮助处理/分析各国人口的大量数据集，包括他们的教育水平和需求的细节，并计划在不同的项目中进行有效的资源分配，以使投资或成果的回报最大化。

5）SDG 5：性别平等——实现性别平等并赋予所有妇女和女孩权力

任何先进的技术，如QML或AI，本质上都是一种可以被利用来加强平等的动力工具。例如，人工智能驱动的性别解码器可以帮助雇主使用对性别更敏感、更具包容性的语言来提高多样性。量子优化也可用于有效地分配经济和其他资源，用于各种赋予妇女权力和发展的举措。

量子计算在视频分析和监控方面的问题可能更多。量子计算可用于智能视频监控，视频分析能力利用机器学习来提高公众的安全，更具体地说，就是提高公共场所的妇女和女孩的安全。然而，QML/AI也可能构成重大威胁，一些由AI驱动的招聘软件被发现歧视妇女或在视频监控中被某些类型的国家和政府应用高度控制和歧视的经历就是证明。

6）SDG 6：清洁水和卫生设施——确保为所有人提供和可持续管理水和卫生设施

量子计算有可能优化供水的管理和分配，从不同的来源到有需要的人，将浪费降到最低，从而降低缺水的程度。

量子材料研究可用于开发新材料，以实现低成本的水净化和废水处理过程。

此外，研究人员可以利用量子计算来模拟水位压力，考虑到当地气候条件人口和水源等因素，从而预测特定地方或地区的水压力程度。随着物联网和智能电表的发展，有大量与供水设施相关的数据，因此量子机器学习可以用来处理这些庞大的数据汇总，以获得洞察力，包括预测性维护的指标，从而更有效地管理网络中的水泄漏和浪费。量子模拟技术可用于生产新材料/产品（干洗、污水处理等），以达到卫生的目的。

量子传感器也有一定的作用。一些使用案例包括用重力传感器观察地球，以发现地下水的储量和水的污染，以及用重力测量法监测供水系统的泄漏。

7）SDG 7：清洁能源——确保所有人都能获得可负担的、可靠的、可持续的和现代的能源

量子计算有可能产生积极的影响，特别是在优化、模拟和机器学习与能源有关的应用方面。

优化的例子包括优化电网运行以提高输电和配电的性能和效率、优化不同能源（可再生和不可再生）的发电组合智能城市应用的能源消耗优化，以及优化工业和汽车系统流程的操作调度，从而减少电力消耗。

使用量子计算算法的模拟可以应用于工业和材料科学的应用，如电池设计，发现超导体等新材料，更好地了解碳氢化合物到石油和天然气生产中使用的化学品的特性，以及影响流动保证的腐蚀和固体形成的解决方案，可以提高安全性并降低成本。在能源领域，量子模拟也可用于材料科学，以提高太阳能电池板的效率和接近零损耗的电的传导性，模拟输电和配电网络的模拟，以及高能核物理的模拟，还可用于改进核裂变反应堆并为核聚变铺平道路。

量子机器学习相关的应用主要集中在供应、价格和需求方面的预测，包括有效的需求预测，以实现高效的管理、发电、配电和供应链，以及预测能源和资源的价格，以优化获取能源的成本。在维护基础设施方面也有用途，包括：为发电厂、工业和电器的有效发电和运行进行预测性维护；在整个配电网络以及发电系统和工厂进行异常检测；电网安全和盗窃检测；以及改进停电预测。

在能源基础设施的监测中，量子传感器可用于通过范围、分辨率和灵敏度的组合来测量感兴趣的关键参数；使用磁强计的电网监测可以直接连接到电力线上，记录漏电电流的测量；用于诊断变压器中绝缘体的早期故障。这些设备有可能提高电网的耐久性。

量子重力测量法可用于探矿和清理遗留的石油钻孔，以及利用重力异常的地质成像进行碳捕获和储存的勘探。重力仪还可用于发现新的石油储量和开发光学气体成像系统来检测和定位气体泄漏。

最后，量子传感器有可能被部署在核电站，以提高电厂的效率和安全。例如，原子干涉量子传感器可用于检测核能工厂的同位素，并检测辐射破坏的早期阶段，实现对工厂安全方面的远程监控。

8）SDG 8：工作和经济增长——促进持续、包容和可持续的经济增长，促进充分的生产性就业

量子计算作为一种技术，在提高经济生产力和触发创新以创造新的经济活动方面具有很大潜力（目标8.2）。量子模拟技术可用于模拟各种微观和宏观经济模型，以分析经济状况和任何国家的增长。量子优化算法有可能帮助实现目标8.5，即在消费和生产中实现全球资源效率，优化材料消费足迹。

最后，量子风险建模可用于加强金融机构，通过有效的风险评估和资源信贷分配，鼓励和扩大所有人获得银行、保险和金融服务（目标8.10）。

9）SDG 9：工业、创新和基础设施——建设有弹性的基础设施，促进包容和可持续的工业化，并促进创新

量子计算技术有可能解决跨越基础设施、工业和创新的许多领域，从而产生积极影响。用例和应用的例子包括优化公共运输系统、公用事业（如水、电、气等）、分配系统的系统。以及电信，包括互联网接入。它还提供了通过模拟来改善对未来需求的预测的潜力，以便有效规划投资。

在工业领域，跨越多个部门，有广泛的用例。有多个优化的例子，包括实时路线、优化、生产流程、仓库机器人的路由、需求预测、供应商风险建模、工业工厂的资产预测性维护等等。

仿真也提供了许多改进的机会，如利用量子仿真找到正确的聚合物组合来制造更坚固的混凝土，为钢铁制造找到更好更有效的氢气生产催化剂，还有流体动力学仿真、有限元分析/仿真、材料科学和合成、传热和传质仿真以及电子机械系统的仿真。

此外，量子传感器可用于更好地感知关键参数，以进行预测性和预防性维护（物联网/IIoT传感器）。

10）SDG 10：减少不平等现象——减少国家内部和国家之间的不平等

在这个目标下，围绕改善全球金融市场和机构的监管和监测的一些目标（10.5和10.b）可以在一定程度上受益于量子化。

仿真和机器学习可用于对金融工具的风险、欺诈检测和衍生品定价进行建模，从而有助于改善金融健全性指标。此外，量子机器学习可以用来处理各个国家的经济数据，并得出有效决策。

11）SDG 11：减少不平等现象——减少国家内部和国家之间的不平等

有许多量子技术的用例和应用具有潜在的积极影响，许多都集中在智能城市优化方面。这些主要集中在交通路线、关键服务（最后一英里）交付、公共交通调度、不同用途的土地和其他资源的消耗、水分配等领域的优化。

量子计算处理和算法也可用于基础材料科学研究，以生产具有必要强度的更经济的建筑材料，以及模拟大气参数，包括空气质量或城市内部热应力。

此外，使用量子机器学习能力的潜在用例包括资产的预测性维护。机器学习能力的潜在用例包括资产和设备的预测性维护、智能监控和人群管理的分析。其他应用包括公共设施和服务的需求负荷预测、改善健康状况的自适应工作场所、智能街道照明，以及通过气候建模改善对自然灾害的预测，从而减少不利影响。

量子重力仪可用于监测建筑物、桥梁和类似物理结构的完整性和状况。这些传感器还可用于改进地震监测以预测地震，并由公用事业部门用于检测地下管道和电缆以降低基础设施的建设成本。

在出行领域，量子陀螺仪可以提高驾驶精度，减少对自主车辆的卫星导航的依赖。量子传感可用于通过化学传感和识别污染源来改善空气质量，并用于识别/监测污染物热点，以动态地改变交通路线，从而保持人们的安全和健康。

12）SDG 12：负责任的消费和生产——确保可持续的消费和生产模式

这一目标与联合国其他目标有很大的联系，在这些目标中，量子技术具有潜在的优势，一些与供应链、水电分配以及在消费品生产中更有效地使用原材料有关的优化用例也适用。我们还可以设想将量子计算用于生产节能设备和装置，以及模拟化学品和催化剂的制造，以优化生产过程，减少浪费和污染。此外，量子机器学习能力可用于预测和管理农业、工业和家庭的水和能源需求及消耗。

量子磁力测量法可用于检测和监测污染物，如从煤矿浸出到地下水和河流的污染物。水和河流。量子重力测量法可用于通过跟踪邻近的水流来确定良好的垃圾场，从而减少通过径流造成的水污染。

13）SDG 13：气候行动——采取紧急行动，通过监管排放和促进可再生能源的发展来应对气候变化及其影响

为了实现这一目标，世界必须改造其能源、工业、交通、食品、农业和林业系统，以确保累积净排放量大幅减少，以便在本世纪下半叶达到全球净零排放。我们可以利用量子计算机进行气候和相关风险建模，评估/分析物理和过渡风险对不同行业的潜在影响。

各行业通过采用量子计算技术，可能会在很多方面为这个目标做出贡献。

潜在的用例是进行材料研究，以及捕捉工业过程和发电中的排放物，从而防止二氧化碳释放到大气中。其他用例包括开发设备和装置，通过有效的碳封存使空气脱碳。其他用途包括开发设备和装置，以有效的方式进行空气脱碳，以及使用量子优化算法对运营和供应链进行优化。此外，在设计和开发中使用模拟技术来提高风力涡轮机的性能，通过材料研究来提高太阳能电池板的效率，以及对电池存储的研究也提供了潜在的好处。

在这种情况下，量子传感器有望能够在电力系统、汽车和运输以及工业和环境监测方面带来变革性的影响。例如，欧洲航天局的一份关于空间量子技术的政策白皮书说，“鉴于人类正面临着全球变暖的极端影响，地球观测也许是我们时代最重要的科学工作......然而，已经很清楚的是，经典的测量不能再往前推进了......有了量子技术......在开发空间高精度重力传感的方法方面就有了踏脚石。这些传感器有望通过其长期稳定性和低漂移来改善地球观测。”

此外，基于原子干涉测量法的重力测量法能够对重力进行高度敏感和精确的测量，用于空间受限严重的航天器中的大地测量学、水文学和气候监测任务。这些传感器可以非常紧凑，用于收集数据集，以了解地球上的水循环和它对气候变化的反应。重力仪也可用于通过测量由岩浆上升引起的密度变化来监测火山危险。

14）SDG 14：水下生活——保护和可持续利用海洋和海洋资源，促进可持续发展

量子计算可用于海洋酸化过程的模拟和对其影响的评估。量子机器学习算法也可以应用于协助估算和预测鱼类资源和其他生活在水下的物种，以帮助告知政策，保持可持续的水平，管理渔业和其他人类在海洋中的活动。还可以通过无人机或卫星图像对漂浮的塑料碎片的水平进行视觉分析，因此，通过这种更准确的评估，采取必要的行动，尽可能地清理海洋。

用于材料科学的量子模拟可以塑造新材料的生产，以有效处理污水，减少海洋污染。此外，量子成像传感器可用于阴暗的环境和难以观察的环境，以更好地了解海洋和其他水体中水底的生命。传感器在早期发现（从而修复）受损的水下管道方面也有一定的作用，从而防止大规模的环境污染事件发生。

15）SDG 15：土地上的生命——保护、恢复和促进陆地生态系统的可持续利用、可持续地管理森林、防治荒漠化、制止和扭转土地退化、制止生物多样性的丧失

量子计算机在这一目标上的直接应用数量有限，但在SDG-2中讨论的一些与农业有关的用例在此也有意义。此外，量子优化算法可用于有效利用财政和其他资源来保护生物多样性和生态系统，并可持续利用森林管理（目标15.a和b）。通过机器学习进行的卫星和无人机图像分析可以更好地评估各种陆地和淡水生态系统（森林、湿地、山地、旱地）的状况，量子传感器可用于监测土地的可持续利用和通过地球观测改变土地使用模式。

16）SDG 16：和平、正义和强大的机构——为可持续发展促进和平和包容的社会，为所有人提供诉诸司法的机会，并在各级建立有效、负责任和包容的机构

量子机器学习可以通过围绕检测洗钱的应用机器学习来减少非法资金流动，并通过异常检测进行欺诈性交易（目标16.4），这可以减少可能流向各种有组织犯罪的资金。

在网络安全和量子通信中使用机器学习，可以帮助加强国家机构，防止来自流氓国家、恐怖分子和其他犯罪组织的潜在网络威胁。此外，量子机器学习可以帮助从代表各种形式的暴力、腐败和贿赂事件的各种数据源中产生洞察力，以及相关的法律和它们在各国的实施，可以帮助有效的决策，引入有效的法律和法规。

17）SDG 17：为实现目标建立伙伴关系——加强实施手段，重振全球可持续发展伙伴关系

量子计算可以帮助通过税收和其他收入加强国内资源的调动，通过利用机器学习算法来检测和纠正洗钱和其他逃税情况，量子计算可以帮助加强国内资源调动，通过税收和其他收入的收集（目标17.1）。

量子模拟可用于协助各国通过围绕信贷/债务融资的有效风险建模实现长期的债务可持续性（目标17.4）。

量子计算和相关技术为各国提供了一个很好的机会，可以在科学、技术和创新方面进行协作和合作，以创新和增强知识（具体目标17.6）。量子机器学习也可以帮助通过处理和分析不同人口和地区的数据，开发一个有效的宏观经济仪表板（目标17.18）。

关于凯捷量子实验室：

凯捷是量子技术应用方面的领先专家，帮助客户解决以前难以解决的商业和社会问题，并探索三个量子领域的潜力：计算、通信和传感。量子优势的好处将包括：

• 处理以前无法想象的商业问题，并通过精心设计的量子算法和计算能力以令人难以置信的速度处理复杂的数据
• 通过关键测量的卓越准确性，改变传感、检测和成像。
• 将网络安全提升到传统技术无法达到的新水平，在后量子世界中实现更大的通信安全。

凯捷的量子实验室是一个由量子专家、合作伙伴和专业研究设施组成的全球网络，在英国、葡萄牙和印度，运行研究项目并开发旨在推进量子技术的能力。

报告原文：

https://www.capgemini.com/insights/research-library/sustainable-development-and-quantum-technologies-a-point-of-view/

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