空客公司的量子挑戰：將量子計算用于解決企業問題

Tamlin Magee 陳琳華

空中客車公司面臨的持續性挑戰為我們展示了將應用科學中的學術性研究用于解決企業問題的潛在途徑。

空中客車公司正在尋求將量子計算領域中最優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計、優化和建模工作。

競爭目標之一是找到量子計算可以在哪些領域超越傳統高性能計算（HPC）。挑戰分為五個方面，涉及飛機爬升優化、計算流體動力學、構建用于求解偏微分方程的量子神經網絡、翼盒設計優化和飛機載荷優化。

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

空中客車藍天研究實驗室負責人Thierry Botter博士表示，該公司多年來一直在航空領域測試量子計算，尤其是在去年通過風險投資部門對QC Ware進行了投資。

他說：“我們對此保持著務實的態度。我們不會問‘今天它們是否可以實現？這樣的問題，而是關注是否有跡象表明未來量子計算機會具有優勢，以及我們目前應當如何為未來做好準備。”他還補充道，此次競賽還將被拓展，以“盡可能廣泛地”與量子計算社區合作。

“我們制定了如飛行物理學等許多與我們核心業務有關的問題，并向社區提出了挑戰，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新技術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，這表明全球對此都有著強烈的興趣。他說：“這將會讓我們在提交期結束時變得更加興奮。現在我們還處于早期階段，個別團隊正在制作他們提交的作品和想法。”

起飛

雖然一次飛行當中巡航階段保持的時間最長，同時航空公司認為這對于優化燃料與時間至關重要，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化對航空公司的盈收來說也變得非常關鍵。

Botter稱：“第一個問題陳述與飛機飛行的第一部分有關。這個問題不是關于從跑道到巡航高度，而是從飛行起點開始，相對靠近飛機的起飛點。我們希望繪制爬升曲線，從飛行的早期階段直到飛機達到巡航高度，因為我們希望優化這一段飛行。”

優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，這是關鍵。

“我們能否優化飛行的早期階段？這是個問題，”Botter說。“有一些經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，我們應當將自己放在未來并提出一個問題：量子計算機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，那么我們將如何進行計算？為了獲得更好更優的解決方案，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信息，以及通過小規模模擬運行得出潛在性能的一些指標參數。這么做是為了即使實際運行問題的資源有限，空中客車公司和其他評委也能夠衡量出性能提升的程度。

在挑戰結束之后，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來測試這些問題。

此外，Botter還表示，盡管近期的量子計算機不會像未來的誤差校正型量子計算機一樣強大，但它們“可能會帶來一些額外的優勢”。

“問題是怎么使用以及應用在哪里？我認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的關鍵性應用程序，未來我們還將會進一步引入誤差校正型量子計算機。”

量子應用

量子應用中的很大一部分將采用在實驗室環境中已經成熟并由專業學者推動的技術，然后將其應用到現實世界當中。

他說：“除了航空航天領域，從金融部門到能源部門再到運輸部門等等，許多其他部門也在關注量子計算能夠如何幫助自己。如何讓所有人都參與進來并測試學術研究實驗室的研發成果，這是量子應用在全球面臨的一個巨大挑戰。”

從根本上說，Botter認為量子計算是一種潛在的改變游戲規則的技術，但前提是學術界和行業要進行合作。

“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的開發，讓其能夠更快地適用于所有應用程序。這是非常罕見的情況，因為在這種情況中只有贏家。每個問題的計算都很困難，相當具有挑戰性，并且需要大量的計算。量子計算這種更好更先進的技術可以在計算方面提供幫助。”

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