فناوری­های کوانتومی؛ تغییر دهنده بازی بالقوه در هوافضا

اعمال فناوری کوانتومی برای حل چالش­های هوافضا

فیزیک پرواز در قلب تجارت ایرباس قرار دارد که این پدیده فرق گسترده­ای از تمام جنبه­های علمی و مهندسی مربوط به پرواز هواپیما را با خود به همراه دارد. این موضوع تقریبا بر تمام جنبه­های هواپیما تاثیر می­گذارد: از طراحی تا عملیاتی شدن، از کیفیت حرکت از طریق هوا گرفته تا جریان درآمد شرکت­های هواپیمایی.

چرخه عمر کامل هواپیما نیز دارای بسیاری از مشکلات محاسباتی دشوار است. اگرچه امروزه روش­ها و رویکردهای محاسباتی برای رفع این چالش­ها وجود دارد، اما ایرباس در تلاش است تا با نوآوری و بهبود محصولات، انقلابی در قابلیت­های پروازی به وجود آورد!

محاسبات کوانتومی این پتانسیل را دارد که بتواند تغییر پارادایم در فیزیک پرواز را انجام دهد، این امر می­تواند چگونگی ساخت و پرواز هواپیما را برای همیشه تغییر دهد. با ایجاد پنج چالش پیش روی در طراحی هواپیما و بهینه­سازی، با استفاده از محاسبات کوانتومی می­توان به آن­ها خاتمه داد. راه‌حل­ها ایرباس را قادر می­سازد تا ارزیابی کند که چگونه این فناوری محاسباتی در حال رشد می­تواند استفاده شود یا حتی جایگزین سایر ابزارهای محاسباتی با کارایی بالا شود که امروزه سنگ بنای طراحی هواپیما را تشکیل می­دهند. خلاصه بررسی این چالش­ها در زیر آورده شده است:

بهینه­سازی صعود هواپیما:  هواپیماها طی "ماموریت" خود از هنگام برخاستن از زمین، چندین مرحله پرواز را دنبال می­کنند. کروز طولانی ترین بخش است و از دیدگاه بهینه­سازی سوخت و زمان مهمترین آن­ها در نظر گرفته می­شود. با این حال، برای افزایش فزاینده پروازهای کوتاه مدت، صعود و نزول بسیار مهم است. بهینه‌سازی سوخت در این بخش­ها برای شرکت­های هواپیمایی بسیار با ارزش است. این مشکل، بر صعود و نحوه استفاده از محاسبات کوانتومی برای رسیدن به یک شاخص کم هزینه (هزینه نسبی زمان و سوخت) متمرکز است که برای کارایی صعود اساسی است.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD): کارایی طراحی هواپیما به شکل کلی آیرودینامیکی هواپیما وابسته است. این طرح با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی انجام می­شود­، رفتار جریان هوا را در اطراف هواپیما و نیروهای آیرودینامیکی را که در سطوح آن فعالیت می­کنند، نشان می­دهد. با این حال­، شبیه­سازی دقیق دینامیک سیالات محاسباتی یک کار زمان­بر است. این چالش با هدف نشان دادن چگونگی شبیه­سازی دینامیک سیالات محاسباتی  تثبیت شده با استفاده از الگوریتم محاسبات کوانتومی یا به روش ترکیبی کوانتومی برای حل سریع‌تر مسئله و چگونگی مقیاس الگوریتم مطابق با پیچیدگی مسئله از جمله منابع محاسباتی قابل اجرا است.

شبکه­های عصبی کوانتومی برای حل معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی (PDE): حل معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی برای حل مشکلات آیرودینامیکی یک چالش بزرگ است. امروزه­، وضوح آن­ها نیاز به طرح­های پیچیده عددی و هزینه­های محاسباتی بالایی دارد. معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی به طور سنتی با استفاده از روش­های عددی به صورت قطعی حل می­شدند. اخیرا، شبکه­های عصبی الگوریتم­های مبتنی بر یادگیری عمیق برای حل این معادلات را با خود به همراه دارند. این شبکه­ها مشتقات زمان و مکان معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی را محاسبه می­کنند. چالش پیشنهادی تقویت این روش جدید برای مشکلات آیرودینامیکی با قابلیت­های کوانتومی است.

بهینه­سازی طراحی تمامی اجزا بال: با توجه به محدودیت­های محاسبات سنتی، صنعت هوافضا در بهینه‌سازی طراحی چند رشته­ای با چالشی روبرو است. این زمانی است که پیکربندی­های طراحی مانند بارهای قاب هوا، مدل­سازی جرم و تحلیل ساختاری باید همزمان محاسبه شوند. این می­تواند باعث طولانی شدن طراحی، فرآیندهای پیچیده و ارزیابی محافظه کارانه شود. محاسبات کوانتومی با ارزیابی پارامترهای مختلف به طور همزمان، یک مسیر جایگزین برای کشف فضای طراحی وسیع­تر، در نتیجه حفظ یکپارچگی ساختاری و در عین حال بهینه­سازی وزن را ارائه می­دهد. این توازن به ویژه در طراحی تمامی اجزا بال هواپیما، که در آن بهینه­سازی وزن برای کاهش هزینه­های عملیاتی و کاهش تاثیرات محیطی مهم است، از اهمیت ویژه­ای برخوردار است.

بهینه سازی بارگذاری هواپیما: شرکت­های هواپیمایی سعی در استفاده حداکثری از ظرفیت بارگذاری هواپیما برای به حداکثر رساندن درآمد، بهینه­سازی سوخت و کاهش هزینه­های کلی بهره­برداری دارند. دامنه آن­ها برای بهینه­سازی محدود به پاکت عملیاتی هواپیما است که با حداکثر ظرفیت بارگیری هر ماموریت­، مرکز ثقل هواپیما و محدودیت برشی بدنه آن مشخص می­شود. هدف از این چالش محاسبه تنظیمات بهینه هواپیما در زیر محدودیت­های عملیاتی است. بنابراین می­توان نشان داد که چگونه محاسبات کوانتومی برای حل مسئله عملی استفاده می­شود و چگونه می­تواند مقیاس آن به سمت موضوعات پیچیده­تری حرکت کند.

اگرچه در حال حاضر ایرباس در حال کشف تعدادی از فناوری­های کوانتومی است که می­تواند برای چالش­های هوافضا کاربرد داشته باشد. این فناوری­ها شامل موارد زیر است:

محاسبات کوانتومی: صنعت هوافضا در زمینه دینامیک سیال، شبیه­سازی اجزا محدود، آیرودینامیک، مکانیک پرواز و موارد دیگر نیازهای محاسباتی پیچیده­ای دارد. ایرباس به طور فعال از راه حل­های پیشرفته محاسباتی در این مسائل استفاده می­کند. همچنین به شدت اعتقاد دارند که محاسبات کوانتومی، در کنار راه حل­های سنتی­تر با محاسبات با کارایی بالا (HPC)، می­تواند در حل کارهای کلیدی محاسباتی کمک کند.

ارتباطات کوانتومی: الگوریتم­های رمزنگاری امروز؛ مانند رمزگذاری گسترده­ای که از طریق کلیدهای نامتقارن استفاده می­شود، قادر به حملات رایانه­های کوانتومی فردا نخواهند بود. هدف ایرباس توسعه زیرساخت­های ارتباطی ایمن در آینده برای سیستم عامل­های هوافضا بر اساس فناوری­های اطلاعات کوانتومی است که این عامل باعث تقویت امنیت (الگوریتم­ها، احراز هویت و غیره) آن­ها می­شود.

سنجش کوانتومی: سنسورهای کوانتومی در اندازه­گیری مقادیر فیزیکی مانند فرکانس، شتاب، سرعت چرخش، میدان­های الکتریکی و مغناطیسی و دما با بالاترین دقت نسبی و مطلق موثر هستند. ایرباس معتقد است که این نوع سنجش می­تواند برنامه­های مستقیمی در بهبود سیستم­های ناوبری داشته باشد که در آن از اندازه­گیری شتاب دقیق برای دستیابی به داده­های موقعیت استفاده می­شود. علاوه بر این، سنسورهای کوانتومی می­توانند برای طیف وسیعی از کاربردهای مختلف، مانند تغییرات آب و هوا از ماهواره­ها یا منابع زیرزمینی که از هواپیما استفاده می­کنند، عمل کنند.

همکاری با کارشناسان فناوری کوانتومی

فناوری­های کوانتومی ایرباس را قادر می­سازد تا به چالش­های پیشرفته فیزیک پرواز پاسخ دهد. برای این کار، با کارشناسان خارجی از دانشگاه­ها تا صنعت برای ادغام بهینه فناوری­ها و قابلیت­های کوانتومی با توانمندی­های هوافضا همکاری می­کنند.

نمونه­هایی از همکاری­های ایرباس شامل موارد زیر است:

ایرباس در بخش هوافضا و برنامه­های دفاعی با شرکای خارجی­، مرکز کاربردهای فناوری کوانتوم را در نیوپورت، ولز راه­اندازی کرده است.

Airbus Ventures یک سرمایه­گذار در QC Ware است که ارائه دهنده راه حل محاسبات کوانتومی مبتنی بر فضای ابری می­باشد.

چالش محاسبات کوانتومی ایرباس، پلکانی را برای آکادمی و کارآفرینان ایجاد می­کند که به شرکت­کنندگان امکان می­دهد تا در مورد انواع واقعی چالش­های هوافضا، روی پرونده­های صنعتی واقعی کار کنند و نهایتا نیز ایرباس از مرکز نوآوری فناوری کوانتوم دانشگاه بریستول پشتیبانی می­کند.