4月25日，空客官网发布一篇名为《量子计算是航空脱碳的推动者吗》的文章，总结了空客在量子计算这一领域的技术进展，对未来飞机设计提出积极展望。尽管量子计算机仍处于开发阶段，但空客公司预见性地提出，量子技术蕴含的计算潜力，将为下一代飞机打破当前计算能力限制造成的僵局，大幅提高航空公司运营的效率，助力航空绿色化的目标实现。空客公司从算法优化和自然现象模拟2个方面着手，投入研发资源、探索技术突破。

量子计算的优势

2023年12月26日，量子计算入选2023年度十大科技名词。与经典计算不同，量子计算遵循量子力学规律，以量子比特（qubit）为基本运算单元，基于量子叠加原理，其信息单元可以处于多种叠加态。传统计算机中，信息单元用二进制表示，非0即1。但是在量子计算机中，信息单元称为量子位（qubit），其除了0和1两种状态外，还可以处于“叠加态”。举例说明，普通计算机的2位寄存器瞬时仅能存储4个二进制数（00，01，10，11）中的一个，但是量子计算机中的2位电子位寄存器可以同时存储这4种状态的叠加状态，延伸来说，n个量子比特就可以承载2的n次方个状态的叠加。此外，量子比特之间可以存在一种称为纠缠的特殊关系，这使得量子计算机在处理某些类型的问题时比经典计算机更有效率。

上述特性使量子计算展现出比传统计算机更快的处理速度，也为解决经典计算机难以处理的复杂问题提供了新的可能性。近年来，量子计算技术方兴未艾，呈现一派蓬勃景象，辐射覆盖材料设计、密码破译、人工智能、航空航天、工业制造多个领域。

空客在量子计算领域的应用探索案例

（一）优化问题求解1.轨迹优化随着世界航空运输业的高速发展，有限空域内的交通将变得更为拥挤。民用航班在一个动态的环境中运行，天气、交通管制等诸多不受控因素都影响着航班的正常运行。飞行优化是一个多变量的优化问题，燃油消耗、飞行时间、飞机重量和空中交通管制等多约束条件造就了该问题的复杂性和高维性。飞行过程中动态变化和不确定性也为该问题的解决增添了准确响应的要求。

2023年，空客公司的硅谷创新中心对量子轨迹的优化进行了研究，提出通过识别不同的数学模型将复杂问题分解的方法，开发了一种集成各种计算范式的架构，使软件能够确定解决每个问题的最佳计算资源（CPU、GPU或量子）。策略包括将飞行路径优化问题模块化，识别已知的量子算法提供更优解。研究人员采用非最优控制方法将问题建模为三维最短路径问题，沿用行业内常用的Dijkstra 最短路径算法，使用Grover变体算法优化最小值查找。研究结果表明，量子计算在未来前景广阔，但在如路径优化等实际问题的应用上，仍然需要更大的算法创新。

2.货物装载优化全球一半的空运是通过客运航班进行的，将装满货物的集装箱精准塞入客机货舱内的有限空间，就像俄罗斯方块游戏的Plus版本。货箱的摆放位置影响着飞机的重心，摆放不当将会增加燃油的消耗。量子计算机利用所谓的“背包问题”来计算将包裹装载到货运集装箱、将集装箱装载到货舱的最佳解决方案。举一个简单的例子，组织20个集装箱，每一个集装箱里装满30个包裹，就会产生一个“解决空间”——一个给定问题的所有解决方案的集合，集合内的解超过宇宙内所有粒子的总数，现有计算机无法准确解决这个难题。

2022年，空中客车公司使用IonQ的量子计算机进行了一次用例演示。

（二）自然现象模拟1.燃料电池模拟（原子尺度的化学反应模拟）

设计氢推进系统由2种方法：①在涡轮发动机中直接燃烧氢气。②安装电解发电的燃料电池。空客公司与汽车行业强强联手，开发重量轻、功能强大的新型电池，推动航空燃料电池的应用开发。电解反应中催化剂是必不可少的一环，但以铂金属为例，对其进行催化反应的实验测试，耗费昂贵。那么是否可以通过仿真来模拟化学反应的进程呢，量子计算是否可以进行原子级的反应建模呢？

针对燃料电池内电催化氧还原（ORR）中适度转化效率限制，开发新型催化剂和了解潜在反应对燃料电池的研究至关重要。ORR势能变化的复杂性和强电子相关性对原子建模提出了挑战。利用量子的指数功率，工程师们可以对每种合金的催化行为进行建模，这是现有计算机算力无法企及的。

研究人员开发了一种全新的混合工作流，结合经典和量子计算技术，对ORR反应建模。探索在铂和铂/钴合金催化剂作用下，量化还原和解离吸附反应（O

→2O）的动力学和热力学过程。使用了一种耦合代表性子系统（片段）中相关电子自由度的嵌入方法，使用变分量子特征求解器（VQE），用平均场理论和n电子价态摄动理论（NEVPT2）处理环境，用以解释电子动力学的相关性。首次证明了在H1系列俘获离子量子计算机上，实现该模拟流程的可行性。

2.CFD技术（分子尺度的物理现象模拟）

CFD技术广泛应用于飞机预研过程，与实验相比，具有成本低、迭代快的优点。传统计算采用的有限差分、有限元以及有限体积法等，因实际求解问题的复杂程度，对网格的数量和质量要求较高，往往避免不了因网格数量激增而带来的计算资源和计算时间的大幅消耗。对于现役能源密集型高性能计算机而言，其计算处理能力的极限，即为飞机设计周期的“天花板”。而量子计算能够以指数级更高的规模进行CFD计算，拓宽计算体量，有望打破未来飞机的设计瓶颈。

空客与宝马集团联手于2023年12月6日发起量子移动探索挑战赛Quantum obility uest，向全球范围内的研究人员、企业发起邀请，集思广益，博采众长，鼓励多领域量子计算解决方案的开发，包括量子模拟、量子优化、量子机器学习和量子求解器，期待有朝一日可以通过这些方案解决行业的复杂问题。

与此同时，空客公司也是欧盟EQUALITY项目的重要参研成员，该项目针对以下8个典型的工业问题进行研究：机翼空气动力学、电池设计、流体力学、太空任务优化、材料设计、多学科优化、太空数据分析和燃料电池设计。这些问题对算力要求较高，

迫使行业研究人员采用模型简化的方法或者搭建成本高昂的测试实验。因此，量子计算的计算潜力，将为工业发展带来不可估量的进步。

小结

量子技术是新一轮科技革命和产业变革的前沿领域，对传统技术体系产生了颠覆性的冲击与重构，已成为各国战略竞争的重点之一。百舸争流，奋楫者先，空客始终敏锐捕捉科技动态，擘画航空脱碳的蓝图。

总体上看，量子计算有潜力彻底改变包括航空业在内的多个行业，且近年来也取得了很大的发展，一些公司和研究机构已经成功地构建了具有数十甚至数百个量子比特的量子计算机，空客等的探索也验证了量子计算改变航空业的潜力。但量子计算要在未来进一步扩大航空应用，仍需解决以下挑战，包括复杂性挑战（航空业面临的问题通常非常复杂，需要大量量子比特和高度稳定的量子系统来解决，这超出了目前量子计算机的能力；此外，现有的用于经典计算机的计算方法、程序等不能直接用在量子计算机上。为了利用量子计算机，需要开发全新的算法和软件）、量子误差校正挑战（量子计算机容易受到环境干扰，导致计算错误）等。

文/钟怡菲