他们必须如此。他们的工厂生产世界上大部分的关键航空航天基础设施：卫星、防御系统、航天器和商用喷气式飞机。他们很多最复杂的工程设计项目都依赖于多层复合材料。这些材料是羽毛状的耐用分层结构，波音公司将其组装成机翼、机身或其他应需提供的航空航天部件。
设计多层复合材料本身就是一个复杂的问题，超级计算机无法解决。如今，波音公司的工程师通过将问题分解成更小的部分来进行解决。
波音公司与 IBM Quantum 的合作揭示了一种新的量子方法，他们希望这能降低这样的复杂性。虽然现在的量子计算机还不够强大，无法协助设计下一个飞机机翼，但两家公司已经朝着这一未来迈出了重要一步。
Boeing 颠覆性计算与网络团队首席科学家 Jay Lowell 说到：“它向我们表明，不是量子计算机是否会与我们的业务问题产生关联，而是何时产生关联。”
波音公司的多层设计问题可能涉及多达 10 万个变量，远远超出了传统超级计算机的处理能力。
波音和 IBM Quantum 在量子计算机上运行了40个变量的模型问题，这是有史以来同类问题中规模最大的一次执行。
多层复合材料因其组装方式而非常复杂。
每种复合材料均由成千上万个单独的层组成，这些层是超强材料的长条。精密的机器将纤维一层一层叠在一起，就像大型织布机在编织火箭飞船和飞机，而不是布料。机器以工艺设计过程中确定的不同角度挤压出每一层。
这些不同角度很重要，因为每一层的强度只取决于其铺设的方向。
“我们需要创建一个材料堆，多个方向上相互叠放，以便我们在所有可能需要的方向上实现强度。”Lowell 说。
航空航天设计对复合材料的厚度和重量设置了严格的限制，这增加了任务的复杂性。Boeing 公司的多层复合材料设计问题通常涉及 10,000 到 100,000 个变量，换句话说，它们在计算上非常复杂。
“这远远超出了当下经典计算机的能力，我们预计在未来几年内，这仍将超出经典计算机的能力。”
今天，Boeing 将其多层复合材料问题分解成经典计算机可以处理的更小的部分。然后，他们按照严格的设计规则将所有这些结果汇集在一起，以获得整个问题的解。
这种方法是有效的。它能够产出安全、坚固的复合材料，可供波音公司用于其飞机。但这需要付出代价。
“如果想要一条又长又直的复合材料。”波音公司副技术研究员 Joel Thompson 表示，“铺设一条又长又直的直线多层更有意义，而不是铺设一小块多层，进行切割，然后再铺设下一块多层等等。”
这是将组件设计成小块的方法的结果。这导致整个过程需要更多的时间、精力和金钱。
“我们有兴趣寻找解决此类问题的其他方法。”Boeing 技术研究员 Marna Kagele 说。
波音公司希望量子计算机最终能够帮助简化这种复杂问题的解决过程。有朝一日，量子计算机可能会同时解决数千个变量的问题，而不会将其分解成小块。
作为第一步，IBM Quantum 和波音公司的研究人员构建了一个多层复合材料问题的模型版本，以测试这一想法。他们把问题的本质归结为：找到将材料层堆叠在一起的最佳方法。将其称之为切割层多复合问题。
在量子计算机仍在开发的情况下，使用真正的量子硬件解决这个分拆简化问题是一项挑战。现有的量子优化方法没有足够有效地使用量子资源。
当 Boeing 和 IBM Quantum 开始合作时，他们的标准量子优化算法工具包只能为每个量子比特编码一个二进制变量（代表 1 或 0）。
（量子比特是量子计算的基本单位，大致相当于二进制比特，后者在经典计算机中形成 1 和 0。）
为了设计完整的飞机机翼，需要考虑数千个变量 - 代表多层，以及波音公司为制造坚固机身所遵循的严格工艺规则。减少多层复合材料问题涉及 40 个变量。
在当今的量子计算机中，量子比特是非常珍贵的资源，而量子计算机的规模还不足以为这 40 个变量各匹配一个量子比特。Kagele 说，这种限制迫使人进行创新。
IBM Quantum 将自己在量子算法方面的一些内部工作带到了波音公司，各团队共同使用这些工作来开发一种新的量子优化方法。团队表明，可以对每个量子比特编码三个二进制变量，而无需对每个量子比特进行编码。因此，单个量子比特可处理的信息量是经典比特的三倍，代表的变量也是经典比特的三倍。
即使与早期的量子优化算法相比，效率也有了显著提高。这最终确保在真正的 IBM 量子计算机上成功运行了多层复合材料分拆简化问题。团队利用 40 个二进制变量，运行了当时量子计算机处理过的最大二进制优化问题，几乎是之前记录的两倍。
“我们已经解析了一个非常大的优化问题，这是我们产品设计的核心，并表明量子计算机只能解决该优化问题的一小部分，但做得很好。”Lowell 谈到。
他还补充道，在波音公司在其设计过程中使用量子计算机之前，还需要几年的努力。
“我们需要比现在更大的量子计算机，处理比现在可以处理的优化问题更严重的问题。”他说，“但这些新方法支持我们取得了远远超出这个项目开始时预期的进展。该解决方案似乎比我们几年前的预期更接近。”
Kagele 表示，除了对量子优化或多层复合材料问题的具体影响之外，与 IBM Quantum 的合作过程还使 Boeing 做好了应对量子挑战的准备。
“我们与 Boeing 等客户的合作正在帮助我们推动量子研究的前沿进展。”与 Boeing 团队一起参与这项研究的 IBM Quantum 量子原型技术负责人 Jennifer Glick 表示。“通过这项工作，我们开始看到量子计算机解决实际问题的未来是什么样子。”
两个团队之间的关系始于 IBM Quantum 对 Boeing 研究人员的指导。但这种支持使 Boeing 公司能够迅速提高内部技能。
“可以想象，当你在学习过程中遇到障碍或不确定的事情时，始终有人可以基于经验提供指导，你的学习进展有多快。”Kagele 说。
这种指导关系逐渐发展成为一种合作关系，并促成了他们的开创性工作。
“我们开展这个项目的主要目标，是帮助我们企业了解如何从传统方法过渡到混合量子方法。”Lowell 说，“我们组建了一支有能力做到这一点的团队，并开发了内部工具，可以更轻松解决下一个问题。”
有了这个团队，IBM Quantum 和 Boeing 公司已经准备好去探索 Boeing 能够从量子计算中获得价值的新方法。一个感兴趣的领域是，开发先进的耐腐蚀化学品来涂覆飞机。随着 Boeing 公司量子员工队伍的建设以及量子计算机的改进和扩展，预计该公司将把量子求解方法应用到更多航空航天挑战中。
作为全球领先的航空航天公司，波音为 150 多个国家或地区的客户开发、制造商用飞机、国防产品和空间系统，并提供相关服务。作为美国顶级出口商，公司利用其全球供应商基地的人才，来推动经济机会、可持续发展和社区影响。波音公司的多元化团队致力于为未来创新，以可持续发展为导向，并培养基于公司安全、质量和诚信核心价值观的文化。
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