空客公司的量子挑戰(zhàn)：將量子計(jì)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(jì)算領(lǐng)域中最優(yōu)秀的人才匯聚在一起，通過開展全年競(jìng)賽的方式推動(dòng)航空設(shè)計(jì)、優(yōu)化和建模工作。

競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)之一是找到量子計(jì)算可以在哪些領(lǐng)域超越傳統(tǒng)高性能計(jì)算（HPC）。挑戰(zhàn)分為五個(gè)方面，涉及飛機(jī)爬升優(yōu)化、計(jì)算流體動(dòng)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(jì)優(yōu)化和飛機(jī)載荷優(yōu)化。

量子計(jì)算機(jī)目前仍然處于起步階段，當(dāng)前的目標(biāo)是延長(zhǎng)量子比特（量子位）在開始惡化之前保持穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng)。這種高度不穩(wěn)定狀態(tài)可以維持的時(shí)間越長(zhǎng)，量子計(jì)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(jì)算機(jī)更高的計(jì)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(cè)試量子計(jì)算，尤其是在去年通過風(fēng)險(xiǎn)投資部門對(duì)QC Ware進(jìn)行了投資。

他說：“我們對(duì)此保持著務(wù)實(shí)的態(tài)度。我們不會(huì)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(jì)算機(jī)會(huì)具有優(yōu)勢(shì)，以及我們目前應(yīng)當(dāng)如何為未來做好準(zhǔn)備?！彼€補(bǔ)充道，此次競(jìng)賽還將被拓展，以“盡可能廣泛地”與量子計(jì)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(jì)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?！?/p>

Botter在3月份的采訪中表示，已有來自45個(gè)不同國(guó)家的350名參與者注冊(cè)報(bào)名參加競(jìng)爭(zhēng)，這表明全球?qū)Υ硕加兄鴱?qiáng)烈的興趣。他說：“這將會(huì)讓我們?cè)谔峤黄诮Y(jié)束時(shí)變得更加興奮?，F(xiàn)在我們還處于早期階段，個(gè)別團(tuán)隊(duì)正在制作他們提交的作品和想法?！?/p>

起飛

雖然一次飛行當(dāng)中巡航階段保持的時(shí)間最長(zhǎng)，同時(shí)航空公司認(rèn)為這對(duì)于優(yōu)化燃料與時(shí)間至關(guān)重要，但是由于廉價(jià)航空公司的激烈競(jìng)爭(zhēng)，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(duì)航空公司的盈收來說也變得非常關(guān)鍵。

Botter稱：“第一個(gè)問題陳述與飛機(jī)飛行的第一部分有關(guān)。這個(gè)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(duì)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?！?/p>

優(yōu)化工作可以通過各種方式測(cè)量和計(jì)算，但是其核心是減少時(shí)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(gè)問題，”Botter說?！坝幸恍┙?jīng)典的方法可以解決這個(gè)問題，而且我們也知道這些方法，但這不是這個(gè)問題的重點(diǎn)，我們應(yīng)當(dāng)將自己放在未來并提出一個(gè)問題：量子計(jì)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(jì)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(píng)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(jì)算硬件，以便他們可以使用真正的量子技術(shù)來測(cè)試這些問題。

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

“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(jì)算機(jī)的關(guān)鍵性應(yīng)用程序，未來我們還將會(huì)進(jìn)一步引入誤差校正型量子計(jì)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(dòng)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(jì)算能夠如何幫助自己。如何讓所有人都參與進(jìn)來并測(cè)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(gè)巨大挑戰(zhàn)?！?/p>

從根本上說，Botter認(rèn)為量子計(jì)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(jì)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(gè)問題的計(jì)算都很困難，相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，并且需要大量的計(jì)算。量子計(jì)算這種更好更先進(jìn)的技術(shù)可以在計(jì)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(gè)領(lǐng)域（不過這超出了此次挑戰(zhàn)的范圍）?！敖裉煳覀冇幸粡堄稍S多地球觀測(cè)衛(wèi)星組成的觀測(cè)網(wǎng)。這些觀測(cè)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(qǐng)求映射到這些設(shè)備當(dāng)中。