摘要：量子計算作為信息領(lǐng)域的顛覆性前沿技術(shù)，相比于經(jīng)典計算，在某些方面可能擁有后者無法比擬的優(yōu)勢，將為高度信息化的世界帶來全球性的產(chǎn)業(yè)變革。它能夠突破現(xiàn)有系統(tǒng)的運算速度極限，大幅增加信息存儲容量，因此在多個研究領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。本文從對量子計算的基本認識出發(fā)，解讀了量子計算的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和行業(yè)影響，分析了相關(guān)技術(shù)難點，并對未來如何應(yīng)用于航空領(lǐng)域給出了建議。

關(guān)鍵詞：量子計算；航空領(lǐng)域；應(yīng)用分析

量子計算機作為直接以量子態(tài)進行數(shù)據(jù)處理的新型計算機，對比傳統(tǒng)經(jīng)典計算機，具備更強大的并行處理能力，可以解決傳統(tǒng)計算機難以突破的計算難題[1]。對于經(jīng)典計算機而言，芯片集成度的提高是體積縮小和性能提升的關(guān)鍵。1946年世界上的第一臺計算機體積較為龐大，重量高達幾十噸，占地面積為160多平方米，計算能力卻僅有每秒5000次運算。近年來，隨著計算機元器件的快速發(fā)展，計算機體積大幅度縮小，重量已經(jīng)降低到可以隨身攜帶的程度。然而，經(jīng)典計算機的能耗問題和芯片集成度的極限已經(jīng)成為關(guān)鍵制約因素。晶體管的體積已經(jīng)小到接近物理所允許的極限，經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律不再適用，量子效應(yīng)將導(dǎo)致晶體管無法正常工作，摩爾定律失效[2]。

在經(jīng)典計算機發(fā)展出現(xiàn)瓶頸的時候，為了進一步提高計算機的計算能力，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了量子計算機。量子計算機的概念由Paul Benioff在20世紀80年代提出[3]，著名物理學(xué)家費曼也提出模擬量子系統(tǒng)的理想工具是基于量子邏輯的量子計算機[4]。相比于傳統(tǒng)計算機，量子計算機是一種原理上的顛覆式超越。理論上講，量子計算機可以在幾秒鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計算機需要數(shù)萬年才能完成的復(fù)雜計算任務(wù)。如果一臺量子計算機擁有300個量子位，那么它就能夠支持比宇宙中所有粒子數(shù)量總和還多的并行計算。

1994年，科學(xué)家Shor提出了一種可以有效解決素數(shù)因子分解問題的量子算法[5]。也就是說，可以將一個可分解的整數(shù)分解為其素數(shù)因子。這是計算機科學(xué)中的一個重要難題，對經(jīng)典計算機而言非常困難。Shor算法可以有效地解決整數(shù)的分解因子問題。相比對應(yīng)的經(jīng)典算法，其復(fù)雜度大大降低，可達到多項式級別，對經(jīng)典算法速度上的改進程度是指數(shù)級的。該量子算法使得以RSA為代表的當時所有已知的公鑰加密算法不再安全。1996年，Grover提出了加速無序數(shù)據(jù)庫搜索的量子搜索算法[6]。這兩個量子算法引起了全世界的關(guān)注，大力推動了量子計算機的研究。

本文將基于量子計算現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，闡述量子計算相關(guān)基礎(chǔ)概念，梳理量子計算相關(guān)技術(shù)難點，并針對未來如何將其應(yīng)用于航空領(lǐng)域給出建議。

一、量子計算簡介

量子計算是一種利用量子疊加、量子糾纏特性進行并行計算的新型計算模式。量子位（或稱量子比特）是量子計算的理論基石，量子計算以量子位作為信息編碼和信息存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化完成計算任務(wù)。量子力學(xué)的基本原理指出，一個量子位可以同時處于“0”和“1”兩個狀態(tài)，N個量子位可以同時處于2^N個狀態(tài)。換句話說，量子計算每計算一次將同時對2^N個數(shù)產(chǎn)生影響，這也是量子計算從效率上相比于經(jīng)典計算具有更大優(yōu)勢的原因。

量子計算最直接的成果形式是量子計算機，它是滿足量子理論進行量子信息處理和存儲的物理裝置。更通俗一些，當某個裝置操作的是量子信息并運行的是量子算法時，它就可以認為是量子計算機。量子計算機的主要工作流程如下：

①選擇合適的量子算法，將待計算的函數(shù)編程轉(zhuǎn)化為適合量子計算處理的函數(shù)；

②將輸入的經(jīng)典數(shù)據(jù)制備為量子態(tài)的疊加；

③在量子計算機中，根據(jù)量子算法的操作要求，對輸入的量子態(tài)進行多次修正操作，最終得到操作后的量子態(tài)（末態(tài)）；

④對量子末態(tài)進行特殊的測量，得到經(jīng)典的結(jié)果輸出。

量子計算機的研究核心問題在于量子計算模型與體系結(jié)構(gòu)、量子算法、物理實現(xiàn)、編碼與糾錯等。

（一）計算模型與體系結(jié)構(gòu)

當前的量子計算機的計算模型仍然是經(jīng)典的圖靈機模型。這樣做的好處是通用性好，原則上它可以適用量子計算機遇到的所有問題。然而，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的邏輯門操作，因此短時間內(nèi)難以實現(xiàn)。為了應(yīng)對這個問題，可以針對特殊的問題設(shè)計特殊的計算模型，例如絕熱量子計算模型、拓撲量子計算模型等。這樣可以避免大量的邏輯門操作，簡化計算復(fù)雜性，增加短時間內(nèi)實現(xiàn)的可能性。

（二）量子算法

目前影響力較大的量子算法不多，其中代表性的有三種，分別是面向大數(shù)質(zhì)因子分解的Shor算法、面向無序搜索的Grover算法和面向線性方程求解的HHL算法。此外，還有一種量子算法——量子機器學(xué)習算法，近年來受到越來越多的關(guān)注。量子機器學(xué)習算法旨在充分利用量子計算的并行性，優(yōu)化傳統(tǒng)機器學(xué)習算法的效率，突破計算瓶頸，加速人工智能進程。

（三）物理實現(xiàn)

實現(xiàn)量子計算機的關(guān)鍵在于一個易于集成和擴展、相干時間長的物理系統(tǒng)。目前實現(xiàn)量子計算機物理系統(tǒng)的主流技術(shù)路線包括超導(dǎo)、半導(dǎo)體量子點、離子阱、拓撲絕緣體以及線性光學(xué)系統(tǒng)等。從相干時間、集成度和保真度三個方面來看，超導(dǎo)的研究進展最為迅速；半導(dǎo)體量子點的計算保真度不足，但具有可容錯和可拓展兩大優(yōu)勢，能夠與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝完全兼容，潛力巨大；離子阱的量子位品質(zhì)高，但其可擴展性差，且體積龐大，小型化尚需時日；拓撲絕緣體受拓撲保護，原則上不會有耗散問題，在量子位集成方面優(yōu)勢會更明顯一些；線性光學(xué)系統(tǒng)的相干時間長，也易操控，但光子信息難于存儲。

（四）編碼與糾錯

量子計算機是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免地會造成量子相干性的消失（即退相干）。為了減弱甚至消除這種退相干現(xiàn)象的影響，科學(xué)家們提出了用多個量子位來編碼一個邏輯位的方法。經(jīng)過理論證明，若想糾正由退相干所引起的錯誤，至少需要使用五個量子位來編碼一個邏輯位。此外，除退相干的因素外，非理想的量子操控也會導(dǎo)致量子計算出現(xiàn)錯誤，而糾錯就是在所有量子操控都不理想的情況下，仍然能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)糾回到理想狀態(tài)。

目前，量子計算機的所有技術(shù)路線中，超導(dǎo)量子計算機的成熟度最高。從超導(dǎo)量子計算機整機的角度來看，國內(nèi)的中科大、浙大和本源量子公司均開展了相關(guān)研究，目前可應(yīng)用于金融、流體力學(xué)、生物化學(xué)、大數(shù)據(jù)、人工智能和信息安全等領(lǐng)域，主要用于解決優(yōu)化、復(fù)雜問題求解、微觀分子模擬等問題。美國IBM、谷歌、Rigetti和牛津量子計算公司均已研制了超導(dǎo)量子計算機整機，應(yīng)用方向與國內(nèi)基本相同，其中量子計算和機器學(xué)習的應(yīng)用結(jié)合是研究熱點。

從超導(dǎo)量子計算機軟件的角度來看，該技術(shù)呈現(xiàn)全棧式發(fā)展模式。目前，國內(nèi)已有相關(guān)的編程語言、應(yīng)用軟件、量子編程框架、量子操作系統(tǒng)等軟件產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可提供IDE軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)量子資源管理、量子任務(wù)調(diào)度、經(jīng)典資源調(diào)配和量子-經(jīng)典混合計算等功能。美國主要應(yīng)用方向包括生物醫(yī)藥、化學(xué)分子模擬、材料研發(fā)、天氣預(yù)測、流體動力學(xué)模擬、量子信道加密、后量子加密等領(lǐng)域。與政府項目合作較多的是機器學(xué)習、量子啟發(fā)求解器開發(fā)、混合計算等方向。美國和歐洲重點研究量子計算機和超算的結(jié)合。從超導(dǎo)量子計算機硬件的角度來看，目前國內(nèi)超導(dǎo)量子芯片祖沖之2號最高可達到66比特數(shù)，而美國IBM公司已經(jīng)實現(xiàn)了127位量子比特芯片，為世界最高水平。

二、相關(guān)技術(shù)難點

量子計算機不會取代經(jīng)典計算機，因為量子計算機永遠無法運行if / then / else類型的邏輯，它只是擅長解決數(shù)據(jù)密集型的優(yōu)化問題。量子計算機可以作為經(jīng)典計算機的擴展，就像協(xié)處理器一樣，用于加速某些特定的計算任務(wù)。

圖1是2013年Michel Devoret和Robert Schoelkopf發(fā)表在Science上的“量子計算機臺階圖”。下一層實驗是上一層實驗的基礎(chǔ)，但這并不是一個直線升級的過程，級別越高，量子計算機的實現(xiàn)越難。迄今為止，世界上主要的量子計算實驗系統(tǒng)都已經(jīng)實現(xiàn)了前兩層（疊加、糾纏），但不是每種系統(tǒng)都已經(jīng)實現(xiàn)了第三層（測量），而第四層（量子糾錯）更是很少有量子計算實驗系統(tǒng)能夠完成。然而，如果沒有量子糾錯功能，“量子計算機”只能在很短的相干時間內(nèi)做一些簡單的運算?？梢哉f，量子糾錯是量子計算機研究以來遇到的最難的問題。如果不能夠突破量子糾錯，那么就沒有辦法保護那些因為自然界轉(zhuǎn)瞬即退相干的量子位，也就無法實現(xiàn)實現(xiàn)穩(wěn)定的量子信息處理與存儲。

此外，量子算法也是需要攻克的。目前，有影響力的量子算法并不多，若要實現(xiàn)通用的量子計算機，面向更復(fù)雜的問題，需要有更多的量子算法出現(xiàn)。

三、關(guān)于量子計算技術(shù)應(yīng)用在航空領(lǐng)域的建議

目前，量子計算已經(jīng)成為國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)重點關(guān)注和投入的研究方向。未來，以海量數(shù)據(jù)為支撐的航空信息處理系統(tǒng)更需要量子計算機。一方面，量子計算機將直接威脅現(xiàn)有以數(shù)字為基礎(chǔ)的密鑰體系，突破網(wǎng)絡(luò)空間的密碼破譯技術(shù)瓶頸，全面提高關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取能力。另一方面，量子計算機通過人工智能與機器學(xué)習算法的有機結(jié)合，實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)的監(jiān)督學(xué)習與實時處理，將提升航空信息處理系統(tǒng)的態(tài)勢感知和智能決策效率。此外，量子計算機還將加快航空飛行設(shè)備的研發(fā)過程，運用其超常規(guī)的計算能力，通過前期仿真為飛行設(shè)備的研發(fā)提供設(shè)計參考。

通過前期調(diào)研和分析美國航空企業(yè)針對量子計算技術(shù)的研究方向和應(yīng)用實例，我們發(fā)現(xiàn)美國等先進國家已經(jīng)在航空領(lǐng)域積極開展了多個典型應(yīng)用場景的探索。例如，波音公司主要利用量子計算機在下一代空中交通管理系統(tǒng)中解決網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，并利用人工智能算法在量子計算機上的應(yīng)用來提升飛機自主飛行能力。洛馬公司主要利用專用型量子計算機D-wave實現(xiàn)了從早期的軍用軟件代碼質(zhì)量巡檢到當前的產(chǎn)品全生命周期Vamp;V驗證。雷神公司主要研究量子計算在硬件、軟件、算法和控制等板塊的技術(shù)實現(xiàn)。

然而，目前國內(nèi)暫無面向航空領(lǐng)域的量子計算相關(guān)應(yīng)用實例，研究進度遠遠落后于國外發(fā)達國家的同期發(fā)展水平。因此，國內(nèi)航空領(lǐng)域應(yīng)該依托各研究機構(gòu)積極開展對量子計算技術(shù)的持續(xù)、有效跟蹤，盡快開展關(guān)于量子計算的相關(guān)探索和技術(shù)布局，跟上國外技術(shù)發(fā)展的腳步。在未來5-10年量子計算機通用性和小型化問題得到解決之前，完成必要的基礎(chǔ)積累和技術(shù)儲備。同時，國內(nèi)航空領(lǐng)域還應(yīng)考慮利用現(xiàn)有的量子計算服務(wù)系統(tǒng)，參與量子計算與人工智能、信息安全和航空數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)算法的研究工作，進一步探索量子計算的應(yīng)用價值，并為后續(xù)適時介入積累經(jīng)驗。

四、結(jié)束語

量子計算作為一種具備超強并行計算能力的新型計算技術(shù)，已經(jīng)成為世界各國科學(xué)界關(guān)注的熱點。一旦量子計算機突破技術(shù)難關(guān)，必將帶來經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的極大變革。誰能奪取“量子霸權(quán)”，誰就能掌握標準制定權(quán)和輿論主導(dǎo)權(quán)，在產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)有利位置，迅速建立全方位的優(yōu)勢。

特別是對于航空領(lǐng)域來說，量子計算更是一種跨越式發(fā)展的新思路和新方法。在人工智能方面，量子計算可以為人工智能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供更大規(guī)模和更有價值的數(shù)據(jù)學(xué)習、訓(xùn)練和推理預(yù)測，從而幫助飛行設(shè)備更快速、更合理地完成態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃和行為控制。此外，量子計算還可以突破網(wǎng)絡(luò)空間的密碼破譯技術(shù)瓶頸，提高大規(guī)模流場計算問題的解算效率，保證飛機數(shù)據(jù)的安全性，并加快航空武器裝備的研發(fā)進程。

本文針對量子計算這一顛覆性技術(shù)，重點介紹了量子計算的基本概念和相關(guān)技術(shù)難點，并提出了在航空領(lǐng)域應(yīng)用該技術(shù)的建議。在后續(xù)的研究工作中，我們應(yīng)該持續(xù)跟蹤量子計算技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，制定清晰的戰(zhàn)略發(fā)展目標，促進量子計算在航空領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新。重點關(guān)注量子智能算法、量子安全算法和量子仿真算法的應(yīng)用方向，做好量子計算技術(shù)的長遠謀劃。

作者單位：楊子怡 文鵬程 李運喜 聶曌 中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所

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