量子計算技術在航空領域的應用分析

摘要：量子計算作為信息領域的顛覆性前沿技術，相比于經典計算，在某些方面可能擁有后者無法比擬的優勢，將為高度信息化的世界帶來全球性的產業變革。它能夠突破現有系統的運算速度極限，大幅增加信息存儲容量，因此在多個研究領域都有著廣闊的應用前景。本文從對量子計算的基本認識出發，解讀了量子計算的國內外發展現狀和行業影響，分析了相關技術難點，并對未來如何應用于航空領域給出了建議。

關鍵詞：量子計算；航空領域；應用分析

量子計算機作為直接以量子態進行數據處理的新型計算機，對比傳統經典計算機，具備更強大的并行處理能力，可以解決傳統計算機難以突破的計算難題[1]。對于經典計算機而言，芯片集成度的提高是體積縮小和性能提升的關鍵。1946年世界上的第一臺計算機體積較為龐大，重量高達幾十噸，占地面積為160多平方米，計算能力卻僅有每秒5000次運算。近年來，隨著計算機元器件的快速發展，計算機體積大幅度縮小，重量已經降低到可以隨身攜帶的程度。然而，經典計算機的能耗問題和芯片集成度的極限已經成為關鍵制約因素。晶體管的體積已經小到接近物理所允許的極限，經典物理學規律不再適用，量子效應將導致晶體管無法正常工作，摩爾定律失效[2]。

在經典計算機發展出現瓶頸的時候，為了進一步提高計算機的計算能力，科學家們把目光轉向了量子計算機。量子計算機的概念由Paul Benioff在20世紀80年代提出[3]，著名物理學家費曼也提出模擬量子系統的理想工具是基于量子邏輯的量子計算機[4]。相比于傳統計算機，量子計算機是一種原理上的顛覆式超越。理論上講，量子計算機可以在幾秒鐘內完成傳統計算機需要數萬年才能完成的復雜計算任務。如果一臺量子計算機擁有300個量子位，那么它就能夠支持比宇宙中所有粒子數量總和還多的并行計算。

1994年，科學家Shor提出了一種可以有效解決素數因子分解問題的量子算法[5]。也就是說，可以將一個可分解的整數分解為其素數因子。這是計算機科學中的一個重要難題，對經典計算機而言非常困難。Shor算法可以有效地解決整數的分解因子問題。相比對應的經典算法，其復雜度大大降低，可達到多項式級別，對經典算法速度上的改進程度是指數級的。該量子算法使得以RSA為代表的當時所有已知的公鑰加密算法不再安全。1996年，Grover提出了加速無序數據庫搜索的量子搜索算法[6]。這兩個量子算法引起了全世界的關注，大力推動了量子計算機的研究。

本文將基于量子計算現有研究基礎，闡述量子計算相關基礎概念，梳理量子計算相關技術難點，并針對未來如何將其應用于航空領域給出建議。

一、量子計算簡介

量子計算是一種利用量子疊加、量子糾纏特性進行并行計算的新型計算模式。量子位（或稱量子比特）是量子計算的理論基石，量子計算以量子位作為信息編碼和信息存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化完成計算任務。量子力學的基本原理指出，一個量子位可以同時處于“0”和“1”兩個狀態，N個量子位可以同時處于2^N個狀態。換句話說，量子計算每計算一次將同時對2^N個數產生影響，這也是量子計算從效率上相比于經典計算具有更大優勢的原因。

量子計算最直接的成果形式是量子計算機，它是滿足量子理論進行量子信息處理和存儲的物理裝置。更通俗一些，當某個裝置操作的是量子信息并運行的是量子算法時，它就可以認為是量子計算機。量子計算機的主要工作流程如下：

①選擇合適的量子算法，將待計算的函數編程轉化為適合量子計算處理的函數；

②將輸入的經典數據制備為量子態的疊加；

③在量子計算機中，根據量子算法的操作要求，對輸入的量子態進行多次修正操作，最終得到操作后的量子態（末態）；

④對量子末態進行特殊的測量，得到經典的結果輸出。

量子計算機的研究核心問題在于量子計算模型與體系結構、量子算法、物理實現、編碼與糾錯等。

（一）計算模型與體系結構

當前的量子計算機的計算模型仍然是經典的圖靈機模型。這樣做的好處是通用性好，原則上它可以適用量子計算機遇到的所有問題。然而，它的結構復雜，需要大量的邏輯門操作，因此短時間內難以實現。為了應對這個問題，可以針對特殊的問題設計特殊的計算模型，例如絕熱量子計算模型、拓撲量子計算模型等。這樣可以避免大量的邏輯門操作，簡化計算復雜性，增加短時間內實現的可能性。

（二）量子算法

目前影響力較大的量子算法不多，其中代表性的有三種，分別是面向大數質因子分解的Shor算法、面向無序搜索的Grover算法和面向線性方程求解的HHL算法。此外，還有一種量子算法——量子機器學習算法，近年來受到越來越多的關注。量子機器學習算法旨在充分利用量子計算的并行性，優化傳統機器學習算法的效率，突破計算瓶頸，加速人工智能進程。

（三）物理實現

實現量子計算機的關鍵在于一個易于集成和擴展、相干時間長的物理系統。目前實現量子計算機物理系統的主流技術路線包括超導、半導體量子點、離子阱、拓撲絕緣體以及線性光學系統等。從相干時間、集成度和保真度三個方面來看，超導的研究進展最為迅速；半導體量子點的計算保真度不足，但具有可容錯和可拓展兩大優勢，能夠與現有半導體工藝完全兼容，潛力巨大；離子阱的量子位品質高，但其可擴展性差，且體積龐大，小型化尚需時日；拓撲絕緣體受拓撲保護，原則上不會有耗散問題，在量子位集成方面優勢會更明顯一些；線性光學系統的相干時間長，也易操控，但光子信息難于存儲。

（四）編碼與糾錯

量子計算機是宏觀尺度的量子器件，環境不可避免地會造成量子相干性的消失（即退相干）。為了減弱甚至消除這種退相干現象的影響，科學家們提出了用多個量子位來編碼一個邏輯位的方法。經過理論證明，若想糾正由退相干所引起的錯誤，至少需要使用五個量子位來編碼一個邏輯位。此外，除退相干的因素外，非理想的量子操控也會導致量子計算出現錯誤，而糾錯就是在所有量子操控都不理想的情況下，仍然能夠將整個系統糾回到理想狀態。

目前，量子計算機的所有技術路線中，超導量子計算機的成熟度最高。從超導量子計算機整機的角度來看，國內的中科大、浙大和本源量子公司均開展了相關研究，目前可應用于金融、流體力學、生物化學、大數據、人工智能和信息安全等領域，主要用于解決優化、復雜問題求解、微觀分子模擬等問題。美國IBM、谷歌、Rigetti和牛津量子計算公司均已研制了超導量子計算機整機，應用方向與國內基本相同，其中量子計算和機器學習的應用結合是研究熱點。

從超導量子計算機軟件的角度來看，該技術呈現全棧式發展模式。目前，國內已有相關的編程語言、應用軟件、量子編程框架、量子操作系統等軟件產品。這些產品可提供IDE軟件開發環境，實現量子資源管理、量子任務調度、經典資源調配和量子-經典混合計算等功能。美國主要應用方向包括生物醫藥、化學分子模擬、材料研發、天氣預測、流體動力學模擬、量子信道加密、后量子加密等領域。與政府項目合作較多的是機器學習、量子啟發求解器開發、混合計算等方向。美國和歐洲重點研究量子計算機和超算的結合。從超導量子計算機硬件的角度來看，目前國內超導量子芯片祖沖之2號最高可達到66比特數，而美國IBM公司已經實現了127位量子比特芯片，為世界最高水平。

二、相關技術難點

量子計算機不會取代經典計算機，因為量子計算機永遠無法運行if / then / else類型的邏輯，它只是擅長解決數據密集型的優化問題。量子計算機可以作為經典計算機的擴展，就像協處理器一樣，用于加速某些特定的計算任務。

圖1是2013年Michel Devoret和Robert Schoelkopf發表在Science上的“量子計算機臺階圖”。下一層實驗是上一層實驗的基礎，但這并不是一個直線升級的過程，級別越高，量子計算機的實現越難。迄今為止，世界上主要的量子計算實驗系統都已經實現了前兩層（疊加、糾纏），但不是每種系統都已經實現了第三層（測量），而第四層（量子糾錯）更是很少有量子計算實驗系統能夠完成。然而，如果沒有量子糾錯功能，“量子計算機”只能在很短的相干時間內做一些簡單的運算。可以說，量子糾錯是量子計算機研究以來遇到的最難的問題。如果不能夠突破量子糾錯，那么就沒有辦法保護那些因為自然界轉瞬即退相干的量子位，也就無法實現實現穩定的量子信息處理與存儲。

此外，量子算法也是需要攻克的。目前，有影響力的量子算法并不多，若要實現通用的量子計算機，面向更復雜的問題，需要有更多的量子算法出現。

三、關于量子計算技術應用在航空領域的建議

目前，量子計算已經成為國內外科研機構和企業重點關注和投入的研究方向。未來，以海量數據為支撐的航空信息處理系統更需要量子計算機。一方面，量子計算機將直接威脅現有以數字為基礎的密鑰體系，突破網絡空間的密碼破譯技術瓶頸，全面提高關鍵數據的獲取能力。另一方面，量子計算機通過人工智能與機器學習算法的有機結合，實現特定數據的監督學習與實時處理，將提升航空信息處理系統的態勢感知和智能決策效率。此外，量子計算機還將加快航空飛行設備的研發過程，運用其超常規的計算能力，通過前期仿真為飛行設備的研發提供設計參考。

通過前期調研和分析美國航空企業針對量子計算技術的研究方向和應用實例，我們發現美國等先進國家已經在航空領域積極開展了多個典型應用場景的探索。例如，波音公司主要利用量子計算機在下一代空中交通管理系統中解決網絡優化問題，并利用人工智能算法在量子計算機上的應用來提升飛機自主飛行能力。洛馬公司主要利用專用型量子計算機D-wave實現了從早期的軍用軟件代碼質量巡檢到當前的產品全生命周期Vamp;V驗證。雷神公司主要研究量子計算在硬件、軟件、算法和控制等板塊的技術實現。

然而，目前國內暫無面向航空領域的量子計算相關應用實例，研究進度遠遠落后于國外發達國家的同期發展水平。因此，國內航空領域應該依托各研究機構積極開展對量子計算技術的持續、有效跟蹤，盡快開展關于量子計算的相關探索和技術布局，跟上國外技術發展的腳步。在未來5-10年量子計算機通用性和小型化問題得到解決之前，完成必要的基礎積累和技術儲備。同時，國內航空領域還應考慮利用現有的量子計算服務系統，參與量子計算與人工智能、信息安全和航空數值模擬技術相結合的相關算法的研究工作，進一步探索量子計算的應用價值，并為后續適時介入積累經驗。

四、結束語

量子計算作為一種具備超強并行計算能力的新型計算技術，已經成為世界各國科學界關注的熱點。一旦量子計算機突破技術難關，必將帶來經濟發展和國家安全的極大變革。誰能奪取“量子霸權”，誰就能掌握標準制定權和輿論主導權，在產業競爭中占據有利位置，迅速建立全方位的優勢。

特別是對于航空領域來說，量子計算更是一種跨越式發展的新思路和新方法。在人工智能方面，量子計算可以為人工智能在航空領域的應用提供更大規模和更有價值的數據學習、訓練和推理預測，從而幫助飛行設備更快速、更合理地完成態勢感知、任務規劃和行為控制。此外，量子計算還可以突破網絡空間的密碼破譯技術瓶頸，提高大規模流場計算問題的解算效率，保證飛機數據的安全性，并加快航空武器裝備的研發進程。

本文針對量子計算這一顛覆性技術，重點介紹了量子計算的基本概念和相關技術難點，并提出了在航空領域應用該技術的建議。在后續的研究工作中，我們應該持續跟蹤量子計算技術的發展動態，制定清晰的戰略發展目標，促進量子計算在航空領域的技術和應用創新。重點關注量子智能算法、量子安全算法和量子仿真算法的應用方向，做好量子計算技術的長遠謀劃。

作者單位：楊子怡 文鵬程 李運喜 聶曌 中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所

參" 考" 文" 獻

[1] 龍桂魯.量子計算機的研發進展與未來展望[J].人民論壇·學術前沿，2021（7）：44-56.

[2] 周正威，黃運鋒，張永生，等. 量子計算的研究進展[J]. 物理學進展，2005，25（4）：368-385.

[3]詹明生，葉朝輝. 量子計算與量子計算機[C]. //第十一屆全國波譜學學術會議論文摘要集. 2000.

[4]鄭建國，覃朝勇. 量子計算進展與展望[J].計算機應用研究，2008，25（03）：641-645.

[5]張煥國，管海明，王后珍. 量子計算的挑戰與思考[J].云南民族大學學報：自然科學版， 2011，20（05）：388-395.

[6]吳楠，宋方敏. 量子計算與量子計算機[J].計算機科學與探索，2007，1（01）：1-16.