量子計算與航空發(fā)動機(jī)

■ 項洋 劉婷 付強(qiáng)/中國航發(fā)研究院

量子計算（Quantum Computation）是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式，其目標(biāo)是構(gòu)建出一種高度復(fù)雜、高度可控的人造量子系統(tǒng)——量子計算機(jī)（Quantum Computer）。量子計算機(jī)不是經(jīng)典計算機(jī)的升級版，而是人類當(dāng)前設(shè)想中最復(fù)雜、實現(xiàn)難度最大的量子機(jī)器，一旦建成對科學(xué)和社會的影響也將是深遠(yuǎn)的。

從1946年2月15日世界上第一臺電子數(shù)字式計算機(jī)誕生至今，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，主要表現(xiàn)在計算機(jī)的體積和耗電量越來越小，功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用范圍向社會各個領(lǐng)域擴(kuò)展。在過去的半個世紀(jì)里，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展遵循摩爾定律，即集成電路的集成度每年會翻一番，相應(yīng)的信息處理能力也會大幅提高，可以說，信息化技術(shù)的迅速提升歸功于半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展。然而，當(dāng)代計算機(jī)（經(jīng)典計算機(jī)）的發(fā)展遇到了瓶頸：一方面，集成電路集成度的增加和體積的縮小已經(jīng)越來越接近于其物理極限；另一方面，經(jīng)典計算機(jī)均基于圖靈理論，受計算原理的限制，即使是功能強(qiáng)大的超級計算機(jī)也無法解決計算時間呈指數(shù)級增長的問題。

超級計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力主要依賴于并行技術(shù)，假設(shè)計算機(jī)有500萬個核，那么計算速度最多快500萬倍，即計算速度與計算核之間呈常數(shù)加速的關(guān)系。但量子計算機(jī)的計算速度具有指數(shù)加速規(guī)律，這是因為量子疊加現(xiàn)象使得量子計算機(jī)能夠在一個步驟中并行進(jìn)行大量計算。理論上一臺具有n個量子比特（Qubit）的量子計算機(jī)能夠同時進(jìn)行2n種不同的計算。試想，當(dāng)量子計算機(jī)有10個量子比特時，就有210種基態(tài)，在一個步驟中進(jìn)行的計算數(shù)量是1024，計算能力低于當(dāng)前的超級計算機(jī)；但當(dāng)量子計算機(jī)有100個量子比特時，將有2100種基態(tài)，意味著計算速度將可能加速億億次倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)今最先進(jìn)的高性能計算能力；當(dāng)有1000個量子比特時，計算速度將趨于無窮大。這種指數(shù)級加速的特性使得量子計算機(jī)能夠快速處理計算時間呈指數(shù)級增長的問題。當(dāng)然，由于指數(shù)級加速的特征，使得量子計算機(jī)的加速倍數(shù)依賴于問題的規(guī)模：問題規(guī)模越小，加速特征越不明顯；問題規(guī)模越大，計算速度將會呈指數(shù)級增長。經(jīng)典計算若要遍歷所有可能的狀態(tài)，需要數(shù)千步的計算；而量子計算同時計算所有的狀態(tài)，只需要少數(shù)幾步計算。量子計算將有可能使計算機(jī)的計算能力大大超過經(jīng)典計算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計算所存在的重要問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。

經(jīng)典計算與量子計算區(qū)別

量子計算的類型

目前，量子計算主要有量子退火、量子模擬和通用量子計算3種類型。

量子退火是一種基于量子漲落特性的元啟發(fā)式算法，來源于經(jīng)典計算機(jī)中的模擬退火法，不同的是量子退火可以在目標(biāo)函數(shù)擁有多組候選解的情況下，迅速找到全局最優(yōu)解。值得一提的是，量子退火的實現(xiàn)并不是通過操作量子門，而是首先將量子比特置入其最低能量的初始狀態(tài)，然后將表征問題的橫磁場施加在系統(tǒng)上，使得量子比特進(jìn)入疊加狀態(tài)，隨后將橫磁場緩慢撤去，以實現(xiàn)所謂的量子退火。當(dāng)系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定后，能量最低的量子態(tài)就是該問題的最優(yōu)解。由于量子退火系統(tǒng)會同時驗證每一個可能答案的正確性，理論上它就能以更快的方式解決難題。反之，如果使用傳統(tǒng)計算機(jī)解決這個難題，每增加一個變量，其難度會呈指數(shù)增長。量子退火主要用于解決離散空間有多個局部最小值的問題，是解決優(yōu)化問題的最佳選擇，適用于一系列工業(yè)問題。

量子模擬算法是指模擬復(fù)雜的量子現(xiàn)象，探索量子物理學(xué)中超出傳統(tǒng)計算系統(tǒng)能力的特定問題。目前的熱點應(yīng)用領(lǐng)域是燃燒化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)過程模擬、基于單個原子排列的材料特性模擬等。

通用量子計算是指可以指導(dǎo)計算機(jī)進(jìn)行任何復(fù)雜的計算，包括上述量子退火和量子模擬算法。因此，通用量子計算的難度遠(yuǎn)高于量子退火和量子模擬，其核心之一是開發(fā)應(yīng)用于不同計算領(lǐng)域的量子算法，目前已開發(fā)出包括肖爾（Shor）算法在內(nèi)的50余種算法。最近的研究顯示已經(jīng)產(chǎn)生了可以作為量子機(jī)器學(xué)習(xí)基石的量子算法，例如，量子傅里葉變換是比快速傅里葉變換（FFT）快2n倍的加速算法。未來，通用量子計算機(jī)可能徹底改變?nèi)斯ぶ悄茴I(lǐng)域，實現(xiàn)比傳統(tǒng)計算機(jī)更快的機(jī)器學(xué)習(xí)。

量子計算的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代美國阿貢國家實驗室的貝尼奧夫第一次提出量子計算概念以來，量子計算經(jīng)歷了從抽象的物理本質(zhì)探討到基本算法研究、架構(gòu)設(shè)計和硬件開發(fā)的艱辛過程，雖然目前仍處于起步階段，但理論研究和實踐都在持續(xù)開展。

在算法方面，已有大約50種新的量子算法被陸續(xù)提出來，例如，肖爾的因式分解算法、格羅弗的快速搜索非結(jié)構(gòu)化和海量數(shù)據(jù)集的算法、西蒙的概率算法等。在基礎(chǔ)架構(gòu)方面，提出了許多量子系統(tǒng)，例如，光子的偏振、腔量子電動力學(xué)、離子阱以及核磁共振等。

在量子計算機(jī)硬件方面，2005年密歇根大學(xué)的研究人員建造了一個半導(dǎo)體芯片離子阱；2008年加拿大初創(chuàng)企業(yè)D波（D-Wave）系統(tǒng)公司建立了世界上第一臺量子退火計算機(jī)；2009年布里斯托大學(xué)的研究團(tuán)隊創(chuàng)建了一個基于量子光學(xué)的硅芯片，同年耶魯大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了第一個固態(tài)量子處理器； 2016年馬里蘭大學(xué)的科學(xué)家成功構(gòu)建了第一臺可重編程量子計算機(jī)；2017年年底至2018年年初，IBM、英特爾和谷歌公司各自宣稱其分別測試了包含50、49和72個量子比特的量子處理器；此外，位于美國伯克利的Rigetti計算公司開發(fā)了可以使用19個量子比特的芯片，該公司的下一個目標(biāo)是在2019年達(dá)到128個量子比特。

量子計算發(fā)展歷程

1998—2020年能實現(xiàn)的量子比特數(shù)量變化（來源：MIT，量子比特計數(shù)器）

盡管國內(nèi)外學(xué)者對于量子計算技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但距離通用量子計算機(jī)的物理實現(xiàn)還有很長的路，面臨的最大挑戰(zhàn)是硬件和算法。

首先是量子系統(tǒng)硬件的開發(fā)，目前主流的量子計算機(jī)系統(tǒng)有兩類：固體系統(tǒng)（超導(dǎo)、自旋、拓?fù)淞孔佑嬎悖┖碗x子/光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)前硬件方面的關(guān)鍵技術(shù)點一方面是如何產(chǎn)生足夠多的量子比特（研究表明，量子比特數(shù)小于50時，量子計算機(jī)的性能將低于現(xiàn)有的超級計算機(jī)），另一方面是如何對量子態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，包括退相干、容錯-糾錯、量子門設(shè)計和量子疊加態(tài)初始化等。

其次是量子算法的開發(fā)，量子計算的優(yōu)勢是其指數(shù)加速特性，但實際中要實現(xiàn)指數(shù)加速并不容易。只有測量后才能知道量子態(tài)的信息，但測量會導(dǎo)致其疊加性能消失，系統(tǒng)將退化成一種基本狀態(tài)，這就相當(dāng)于并行的多個狀態(tài)中只有一種狀態(tài)起作用。要克服這一難點，需要利用不同狀態(tài)間的相干性，設(shè)計出合理的量子算法，使得通往正確狀態(tài)的概率能夠迅速疊加增長，經(jīng)過若干次重復(fù)運行后其概率就能趨近于1，此時進(jìn)行測量，結(jié)果即為正確狀態(tài)所對應(yīng)的結(jié)果。目前已開發(fā)出的量子算法數(shù)量較少、應(yīng)用范圍有限，大多應(yīng)用在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，對于航空發(fā)動機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域中面臨的復(fù)雜物理問題，如何設(shè)計算法更是巨大的挑戰(zhàn)。

量子計算在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

鑒于量子計算巨大的潛在價值，許多國家政府和軍事機(jī)構(gòu)都在為量子計算研究提供資金，以進(jìn)一步開發(fā)用于民用、商業(yè)、貿(mào)易、環(huán)境和國家安全目的的量子計算機(jī)。一些航空航天領(lǐng)域的世界知名企業(yè)也在涉足量子計算硬件和軟件，旨在通過量子計算激發(fā)本行業(yè)的技術(shù)革命。

NASA量子人工智能實驗室

美國國家航空航天局（NASA）設(shè)立了量子人工智能實驗室（QuAIL）來證明量子計算和量子算法有朝一日可以顯著提高該機(jī)構(gòu)解決航空、地球和空間科學(xué)以及太空探索任務(wù)中出現(xiàn)的困難優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)問題的能力。QuAIL與量子計算企業(yè)、科技企業(yè)和大學(xué)緊密合作，包括D波系統(tǒng)公司、谷歌公司、大學(xué)空間研究學(xué)會（USRA）等。

該組織的研究領(lǐng)域包括算法、量子噪聲及其他一些潛在的應(yīng)用：

●算法，是指量子計算領(lǐng)域的一個主要開放性問題是否存在有效的量子啟發(fā)式算法，以解決NASA在許多任務(wù)中發(fā)現(xiàn)的用經(jīng)典方法難以解決的組合優(yōu)化問題；

●量子噪聲,是指QuAIL關(guān)注量子噪聲如何影響高維優(yōu)化問題中的絕熱量子計算的精度；

●其他潛在的應(yīng)用，是指QuAIL正在探索規(guī)劃和調(diào)度領(lǐng)域應(yīng)用量子算法，以解決在有限時間內(nèi)最高效地利用有限資源的一類問題。

D-Wave量子退火計算機(jī)

洛馬公司量子計算中心

洛馬公司很早就開始關(guān)注量子計算領(lǐng)域，是D波系統(tǒng)公司的早期投資者之一。2010年，洛馬公司成為D波系統(tǒng)公司的第一個客戶，相繼購買了后者生產(chǎn)的D-Wave One和D-Wave Two量子退火計算機(jī)，并成立了量子計算中心（QCC）來測試和使用這些計算機(jī)。此外，洛馬還投資了一家名為QRA的量子計算機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)商。

洛馬公司認(rèn)為，量子計算機(jī)可以通過一次性探索所有可能的方案來解決復(fù)雜問題，而不是像通常那樣，單獨測試每個解決方案。量子計算的潛在應(yīng)用包括處理復(fù)雜系統(tǒng)和大量數(shù)據(jù)的任何領(lǐng)域，包括軟件驗證與確認(rèn)（V&V）。軟件V&V是為了確保質(zhì)量和可靠性而完成的工作，包括消除集成系統(tǒng)的計算層和物理層的錯誤。該公司的統(tǒng)計顯示，超大型軟件開發(fā)的成本中約有一半花費在V&V上。量子計算所具有的獨特優(yōu)點將有助于滿足日益增長的軟件V&V需求。

空客公司發(fā)起量子計算挑戰(zhàn)賽

2015年年底，空客公司在威爾士紐波特建立了一個量子計算團(tuán)隊，研究將量子力學(xué)相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用于航空航天工業(yè)中的特定問題，即那些需要處理和存儲大量數(shù)據(jù)的問題?？湛团cD波系統(tǒng)公司合作進(jìn)行了故障樹分析（FTA）相關(guān)的研究，有資料表明，空客已證實量子計算在這類問題上的潛在價值。

為了進(jìn)一步拓展量子計算在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，空客公司于2019年年初發(fā)起了量子計算挑戰(zhàn)賽，將量子力學(xué)新生技術(shù)應(yīng)用于關(guān)鍵飛行物理問題，包括：

●飛機(jī)爬升期間燃料使用優(yōu)化，即通過量子計算獲得低成本指數(shù)-時間和燃料的相對成本-爬升效率等指標(biāo)組合的最優(yōu)解；

空客公司用D-Wave 2000Q進(jìn)行量子計算的應(yīng)用

● 使用量子計算或量子-傳統(tǒng)混合計算運行CFD仿真，解決適應(yīng)仿真復(fù)雜性和計算資源擴(kuò)展的量子計算算法問題，從而改進(jìn)計算流體動態(tài)仿真；

● 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，通過同時評估不同的參數(shù)，量子計算為探索更廣泛的設(shè)計空間提供了可能，從而在優(yōu)化質(zhì)量的同時保持結(jié)構(gòu)完整性；

● 翼盒設(shè)計優(yōu)化；

● 計算耦合操作約束下的最佳飛機(jī)載荷配置，例如，有效載荷能力、重心和機(jī)身載荷限制等。

波音公司顛覆性計算和網(wǎng)絡(luò)部門

波音公司于2018年10月成立了顛覆性計算和網(wǎng)絡(luò)（DC&N）部門。波音公司認(rèn)為，通過量子通信和計算、神經(jīng)形態(tài)處理和高級傳感器技術(shù)，DC&N部門將使得波音在安全通信、人工智能和復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化等領(lǐng)域開發(fā)出顛覆性的解決方案。波音公司首席技術(shù)官表示，該部門不會研制量子計算機(jī)硬件，但會開發(fā)運行在量子計算機(jī)上的用于解決困難問題的算法。例如，波音在下一代空中交通管理系統(tǒng)的研發(fā)中面臨著與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相關(guān)的挑戰(zhàn)，該部門將探索運用量子計算機(jī)與人工智能的解決方案。

量子計算與航空發(fā)動機(jī)

航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計研發(fā)越來越依賴于計算能力，各大航空發(fā)動機(jī)企業(yè)都配置了自己的高性能計算資源，旨在降低航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)時間和成本，大幅提高設(shè)計質(zhì)量。即便如此，現(xiàn)有計算資源也難以滿足不斷增長的航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜性和運行性能要求。可以預(yù)見，隨著量子計算機(jī)的誕生和商業(yè)化普及，其優(yōu)異的指數(shù)加速性能將在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計研發(fā)中發(fā)揮重要作用。基于量子計算的內(nèi)涵和功能特點，推測其未來可能在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用場景包括氣體動力學(xué)模擬、多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MDO）、集成材料計算工程（ICME）、健康管理機(jī)器學(xué)習(xí)、系統(tǒng)安全性分析、軟件V&V等方面。

氣體動力學(xué)模擬

目前，航空發(fā)動機(jī)中的氣體動力學(xué)模擬受限于計算資源的不足，對求解問題的規(guī)模、分辨率和數(shù)學(xué)模型都進(jìn)行了一定的簡化，導(dǎo)致計算精度和可靠性不足。利用量子計算的加速特性可以克服上述難點，但描述計算流體力學(xué)的納維-斯托克斯方程具有強(qiáng)非線性，傳統(tǒng)的差分方法不能用于量子算法求解非線性方程，利用格子玻爾茲曼方法可以通過線性方程和隨機(jī)方法逼近非線性項，因此可以用量子算法實現(xiàn)加速。此外，針對大規(guī)模微分方程系統(tǒng)求解的難點，利用量子計算，對于線性偏微分方程（PDE），可以利用有限差分法或有限元法，對空間離散化后可化為常微分方程組，再使用哈密頓模擬或量子線性系統(tǒng)算法(QLSA)求解。例如，通過量子有限元求解泊松方程，應(yīng)用于熱傳導(dǎo)分布問題；利用哈密頓模擬求解波動方程模型，應(yīng)用于電磁散射問題等。

上述氣體動力學(xué)模擬是從介觀尺度描述流體的運動規(guī)律。未來利用通用量子計算機(jī)，基于量子力學(xué)基本原理，可能可以從微觀層面模擬出航空發(fā)動機(jī)中每一個氣體分子的運動規(guī)律，這將為航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計人員提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)，最大程度逼近設(shè)計極限。

多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(MDO)

發(fā)動機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化理論的方法和工程應(yīng)用已有多年的發(fā)展，但由于發(fā)動機(jī)的設(shè)計變量眾多，設(shè)計空間范圍寬廣，當(dāng)前的計算能力難以滿足計算需求，只能在小范圍的設(shè)計空間中尋找到局部最優(yōu)解。借助量子計算的優(yōu)化算法，例如模擬退火算法，有可能在更加寬廣的設(shè)計空間內(nèi)尋找到全局最優(yōu)解，從而實現(xiàn)設(shè)計指標(biāo)的最大化。

量子V&V對軟件研發(fā)流程的影響

集成材料計算工程（ICME）

集成材料計算工程是指將材料從納觀、微觀、介觀到宏觀的多個尺度范圍的模型鏈接起來，進(jìn)行多尺度計算，建立材料制備工藝—組織—性能關(guān)系，從而最大化結(jié)構(gòu)性能。然而當(dāng)前的集成材料計算仍然是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假設(shè)，未考慮微觀層面材料分子和原子性能及相互作用，導(dǎo)致仿真的精度不足。未來利用通用量子計算機(jī)，基于量子力學(xué)基本原理，可以實現(xiàn)對由單個分子/原子按一定規(guī)則排列形成材料的過程進(jìn)行精確仿真，從而實現(xiàn)用于任何目的和材料的設(shè)計。

健康管理機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)正在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計、試驗、生產(chǎn)、運行和維護(hù)過程中發(fā)揮越來越大的作用，將QLSA和量子優(yōu)化算法與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合將進(jìn)一步提高機(jī)器學(xué)習(xí)的效率，這就是量子機(jī)器學(xué)習(xí)。許多經(jīng)典的優(yōu)化算法可以利用量子計算的特性進(jìn)行加速，例如，利用QLSA求解線性方程組，監(jiān)督學(xué)習(xí)的線性回歸，支持向量機(jī)等；利用Grover搜索算法，改進(jìn)無監(jiān)督學(xué)習(xí)的K-means和K最近鄰（KNN）算法；利用MCMC采樣算法訓(xùn)練玻爾茲曼機(jī)，實現(xiàn)量子深度學(xué)習(xí)以及基于量子特性實現(xiàn)的量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。

系統(tǒng)安全性分析

航空發(fā)動機(jī)是一個大型復(fù)雜系統(tǒng)，其適航符合性認(rèn)證需要進(jìn)行可靠性與安全性評估。故障樹分析（FTA）和馬爾可夫分析（MA）是復(fù)雜系統(tǒng)安全性工程中的重要分析方法。故障樹表示連接大型復(fù)雜的子系統(tǒng)和節(jié)點之間的點工程結(jié)構(gòu)，通過FTA可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致全局系統(tǒng)故障的本地故障組合，以排除任務(wù)安全隱患，或者是確認(rèn)某一安全事故或特定系統(tǒng)失效的發(fā)生率。馬爾可夫過程則是通過繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖并求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移微分方程來獲得復(fù)雜系統(tǒng)的失效概率。

在FTA中，定量計算所有可能的故障模式和識別可導(dǎo)致安全關(guān)鍵性事件的故障組合在數(shù)學(xué)上是一個NP困難問題（這類問題具有極高的計算復(fù)雜度，因其不能在多項式時間內(nèi)驗證解的正確性）。在MA中，當(dāng)系統(tǒng)由n個單元組成時，系統(tǒng)狀態(tài)將達(dá)到2n個，可見當(dāng)組成系統(tǒng)的單元數(shù)量增長時，系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)量將呈指數(shù)增長，從而使得狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程的求解異常復(fù)雜，甚至不可解。由于量子計算具有可以由糾纏的量子比特來表示隨機(jī)變量的特性，從而在求解這兩類問題時有潛在的好處。

軟件驗證和確認(rèn)(V&V)

現(xiàn)代的飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的正常運行需要大量軟件，這些軟件在飛行之前都必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢查，以確保安全性和可靠性，這就是軟件V&V?；诹孔佑嬎愕能浖&V無須創(chuàng)建特定的測試用例，就可以發(fā)現(xiàn)軟件的隱藏缺陷，因此將有助于減少軟件缺陷和重復(fù)工作，降低風(fēng)險，從而縮短研發(fā)周期。

結(jié)束語

量子計算由于其優(yōu)異的指數(shù)加速性能，在處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)集方面有著天然的優(yōu)勢，能夠解決經(jīng)典計算機(jī)無法解決的難題，在先進(jìn)制造業(yè)、通信和網(wǎng)絡(luò)安全等社會各個領(lǐng)域都有巨大的潛在應(yīng)用價值，甚至有望顛覆整個行業(yè)。航空發(fā)動機(jī)是制造業(yè)的尖端，若能克服量子計算機(jī)的物理實現(xiàn)和高效率算法的開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)和障礙，并將量子計算應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計研發(fā)中，勢必能推動發(fā)動機(jī)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和技術(shù)變革。