空客公司的量子挑戰(zhàn)：將量子計算用于解決企業(yè)問題

Tamlin Magee 陳琳華

空中客車公司面臨的持續(xù)性挑戰(zhàn)為我們展示了將應(yīng)用科學(xué)中的學(xué)術(shù)性研究用于解決企業(yè)問題的潛在途徑。

空中客車公司正在尋求將量子計算領(lǐng)域中最優(yōu)秀的人才匯聚在一起，通過開展全年競賽的方式推動航空設(shè)計、優(yōu)化和建模工作。

競爭目標(biāo)之一是找到量子計算可以在哪些領(lǐng)域超越傳統(tǒng)高性能計算（HPC）。挑戰(zhàn)分為五個方面，涉及飛機(jī)爬升優(yōu)化、計算流體動力學(xué)、構(gòu)建用于求解偏微分方程的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、翼盒設(shè)計優(yōu)化和飛機(jī)載荷優(yōu)化。

量子計算機(jī)目前仍然處于起步階段，當(dāng)前的目標(biāo)是延長量子比特（量子位）在開始惡化之前保持穩(wěn)定狀態(tài)的時長。這種高度不穩(wěn)定狀態(tài)可以維持的時間越長，量子計算機(jī)可有效執(zhí)行的功能就越多，甚至可提供比目前最先進(jìn)的計算機(jī)更高的計算能力。

空中客車藍(lán)天研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Thierry Botter博士表示，該公司多年來一直在航空領(lǐng)域測試量子計算，尤其是在去年通過風(fēng)險投資部門對QC Ware進(jìn)行了投資。

他說：“我們對此保持著務(wù)實(shí)的態(tài)度。我們不會問‘今天它們是否可以實(shí)現(xiàn)？這樣的問題，而是關(guān)注是否有跡象表明未來量子計算機(jī)會具有優(yōu)勢，以及我們目前應(yīng)當(dāng)如何為未來做好準(zhǔn)備。”他還補(bǔ)充道，此次競賽還將被拓展，以“盡可能廣泛地”與量子計算社區(qū)合作。

“我們制定了如飛行物理學(xué)等許多與我們核心業(yè)務(wù)有關(guān)的問題，并向社區(qū)提出了挑戰(zhàn)，目的是幫助我們了解量子計算的前景、潛力以及如何利用這項(xiàng)新技術(shù)來解決其中的一些問題。”

Botter在3月份的采訪中表示，已有來自45個不同國家的350名參與者注冊報名參加競爭，這表明全球?qū)Υ硕加兄鴱?qiáng)烈的興趣。他說：“這將會讓我們在提交期結(jié)束時變得更加興奮。現(xiàn)在我們還處于早期階段，個別團(tuán)隊正在制作他們提交的作品和想法。”

起飛

雖然一次飛行當(dāng)中巡航階段保持的時間最長，同時航空公司認(rèn)為這對于優(yōu)化燃料與時間至關(guān)重要，但是由于廉價航空公司的激烈競爭，短途飛行也變得越來越多，這意味著爬升和下降期間的燃料優(yōu)化對航空公司的盈收來說也變得非常關(guān)鍵。

Botter稱：“第一個問題陳述與飛機(jī)飛行的第一部分有關(guān)。這個問題不是關(guān)于從跑道到巡航高度，而是從飛行起點(diǎn)開始，相對靠近飛機(jī)的起飛點(diǎn)。我們希望繪制爬升曲線，從飛行的早期階段直到飛機(jī)達(dá)到巡航高度，因?yàn)槲覀兿Ｍ麅?yōu)化這一段飛行。”

優(yōu)化工作可以通過各種方式測量和計算，但是其核心是減少時間或燃料消耗或是兩者的組合，這是關(guān)鍵。

“我們能否優(yōu)化飛行的早期階段？這是個問題，”Botter說。“有一些經(jīng)典的方法可以解決這個問題，而且我們也知道這些方法，但這不是這個問題的重點(diǎn)，我們應(yīng)當(dāng)將自己放在未來并提出一個問題：量子計算機(jī)能否幫助我們找到可更好解決這一問題的方案？如果是這樣，那么我們將如何進(jìn)行計算？為了獲得更好更優(yōu)的解決方案，我們還需要做些什么工作呢？”

提交方案的參與者被要求提供他們的流程及其方法的詳細(xì)信息，以及通過小規(guī)模模擬運(yùn)行得出潛在性能的一些指標(biāo)參數(shù)。這么做是為了即使實(shí)際運(yùn)行問題的資源有限，空中客車公司和其他評委也能夠衡量出性能提升的程度。

在挑戰(zhàn)結(jié)束之后，空中客車希望直接與獲勝者合作，為他們提供昂貴的量子計算硬件，以便他們可以使用真正的量子技術(shù)來測試這些問題。

此外，Botter還表示，盡管近期的量子計算機(jī)不會像未來的誤差校正型量子計算機(jī)一樣強(qiáng)大，但它們“可能會帶來一些額外的優(yōu)勢”。

“問題是怎么使用以及應(yīng)用在哪里？我認(rèn)為這是空中客車公司和眾多參與者需要完成的重要工作，找到那些需要量子計算機(jī)的關(guān)鍵性應(yīng)用程序，未來我們還將會進(jìn)一步引入誤差校正型量子計算機(jī)。”

量子應(yīng)用

量子應(yīng)用中的很大一部分將采用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中已經(jīng)成熟并由專業(yè)學(xué)者推動的技術(shù)，然后將其應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中。

他說：“除了航空航天領(lǐng)域，從金融部門到能源部門再到運(yùn)輸部門等等，許多其他部門也在關(guān)注量子計算能夠如何幫助自己。如何讓所有人都參與進(jìn)來并測試學(xué)術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)成果，這是量子應(yīng)用在全球面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。”

從根本上說，Botter認(rèn)為量子計算是一種潛在的改變游戲規(guī)則的技術(shù)，但前提是學(xué)術(shù)界和行業(yè)要進(jìn)行合作。

“有盡可能多的參與者和盡可能多最終用戶的參與，將可改善和加速量子計算機(jī)的開發(fā)，讓其能夠更快地適用于所有應(yīng)用程序。這是非常罕見的情況，因?yàn)樵谶@種情況中只有贏家。每個問題的計算都很困難，相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，并且需要大量的計算。量子計算這種更好更先進(jìn)的技術(shù)可以在計算方面提供幫助。”

衛(wèi)星視覺優(yōu)化也是量子大顯身手的一個領(lǐng)域（不過這超出了此次挑戰(zhàn)的范圍）。“今天我們有一張由許多地球觀測衛(wèi)星組成的觀測網(wǎng)。這些觀測衛(wèi)星在成像能力方面各有特色，并且位于各自的軌道上。我們想要實(shí)現(xiàn)的成像優(yōu)化是讓它們共同組成了一套成像設(shè)備，然后盡可能地將客戶的請求映射到這些設(shè)備當(dāng)中。