量子技术的加速发展推动飞机设计和运营

内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨王珩 浪味仙  排版丨沛贤

深度好文：1500字丨5分钟阅读

摘要：虽然量子计算仍处于早期阶段。但专家们一致认为，它有望在安全通信、银行业和航空航天等领域发挥关键作用。因为它能够克服计算瓶颈。

虽然量子计算仍处于早期阶段。但专家们一致认为，它有望在安全通信、银行业和航空航天等领域发挥关键作用。因为它能够克服计算瓶颈。

空中客车公司的目标是开创可持续航空航天事业，打造一个安全、团结的世界。尽管量子计算机仍在开发中，但它在两个领域具有潜力，这两个领域是实现这一雄心壮志的关键：一是打破因当前计算能力限制而导致的设计僵局，二是提高航空公司运营的效率。  

下文是空中客车公司认同的关于一些令人兴奋的量子探索的综述。

１、轨迹优化 

未来，通过考虑空中交通限制和天气模式，量子算法可以实时优化飞机的轨迹。这具有明显的安全性、经济效益和生态效益。 

飞机在动态环境中运行，受到诸多变量的影响，尤其是在爬升期间。计算的速度和准确性是关键，量子算法在各方面都可能超越当前的高性能计算机。为此，2023年，空中客车公司的硅谷创新中心 Acubed开展了量子轨迹优化研究。

２、高效的货物装载 

在法国瓦特里，一架空客 A330neo 测试飞机正在装载人道主义物资（图片来源：网络）

全球一半的航空货运是通过客运航班进行的。将它们装满货物集装箱，然后装入喷气式客机的货舱，这就像一场巨大的俄罗斯方块游戏。空间非常宝贵，每个集装箱的装载量必须恰到好处。如果货舱内的整体重心偏离，比如货物堆放得太偏左，左侧发动机就必须更加努力地工作，导致飞机消耗更多燃料。

与轨迹优化一样，货物装载也充满了限制。量子计算机利用“背包问题”来计算将包裹装入货物集装箱以及将集装箱装入货舱的最佳解决方案。2022 年，空中客车公司使用IonQ 的量子计算机进行了用例演示。

为了说明装卸工面临的挑战，只需组织 20 个集装箱，每个集装箱在货舱中塞满 30 个包裹，这样所产生的所有解决方案的集合就会超过宇宙中粒子的总数。现有的计算机或分析解决方案都无法准确解决这个难题。 

１、燃料电池模拟 

氢动力飞机在飞行过程中不会产生二氧化碳或一氧化二氮排放。它们只向大气中释放水蒸气。设计氢推进系统有两种选择：直接在涡轮发动机中燃烧气体；利用氢气通过电解发电。

ZEROe 燃料电池发动机模型（图片来源：网络）

空中客车公司与汽车行业联手推进航空应用燃料电池的开发。然而，这些电池必须很轻且功能强大，足以让飞机离开地面。 

这种组合依赖于一些复杂的化学反应。电解需要催化剂才能进行。铂金特别适合，但相对昂贵。另一种方法是制造合金，例如铂与钴或镍的合金，这些合金也显示出比纯铂更高的初始性能。然而，实验室测试这些合金成本可能很高。 

相反，空中客车公司的研究人员与宝马集团的同事一起，首次证明量子计算可以进行原子级反应建模。利用当今计算机无法企及的量子指数级功率，工程师可以对每种合金的相对催化行为进行建模，从而推进和设计选择，有朝一日将对航空航天的碳足迹产生重大的有利影响。 

２、计算流体动力学：数学、物理和计算机科学的交叉点

在设计新飞机时，首先要考虑的通常是 计算流体动力学（CFD）。这种对机身周围气流的复杂数字模拟有助于了解其形状和空气动力效率。如今，CFD 由能源密集型高性能计算机 (HPC) 执行，但随着 HPC 达到其最大处理能力，它已成为飞机设计周期中的瓶颈。

（图片来源：网络）

在巴黎航展的正式仪式上，空中客车公司与欧洲两家领先的研究机构 ONERA（法国航空航天研究中心）和 DLR（德国航空航天中心）签署了合作伙伴关系。

借助量子计算，能够以更高的指数级规模执行 CFD 计算。它有可能打破未来飞机的设计瓶颈。 

CFD 是Quantum Mobility Quest和 EQUALITY研究的一个领域，EQUALITY 是一个将空中客车公司视为成员的欧洲财团。该联盟致力于开发量子算法，以解决一系列“范式”行业问题。

正如这些例子所表明的那样，量子计算显然有潜力支持航空业的脱碳之旅。空中客车公司和宝马集团都认识到量子的前景。两家公司于 2023 年联手推出 Quantum Mobility Quest。Quest 的目标是与领先企业合作，加速和改进量子解决方案，以解决最复杂的挑战。