Deve esserlo. Le loro fabbriche producono gran parte dell'infrastruttura aerospaziale critica del mondo: satelliti, sistemi di difesa, veicoli spaziali e jet commerciali. Molti dei loro progetti ingegneristici più complessi si basano sui compositi a strati. Si tratta di strutture a strati, resistenti e simili a piume, che Boeing assembla in ali, fusoliere o altri componenti aerospaziali in base alle necessità.
La progettazione dei compositi a strati risulta essere di per sé un problema complesso, che va oltre le capacità di risoluzione dei classici supercomputer. Oggi gli ingegneri Boeing risolvono questo problema suddividendolo in segmenti più piccoli.
La partnership di Boeing con IBM Quantum ha rivelato un nuovo approccio quantistico che si augurano possa ridurre questa complessità. Sebbene i computer quantistici di oggi non siano ancora abbastanza grandi per contribuire a progettare la prossima ala dell'aeroplano, le due aziende hanno compiuto un passo importante verso quel futuro.
“Questo ci dimostra che il problema non è 'se' i computer quantistici diventeranno rilevanti per i nostri problemi aziendali, ma 'quando' lo saranno”, ha affermato Jay Lowell, Chief Scientist di del team Disruptive Computing and Networks di Boeing.
I problemi di progettazione degli strati di Boeing possono comprendere fino a 100.000 variabili, ben oltre le capacità di gestione dei classici supercomputer.
Boeing e IBM Quantum hanno eseguito un problema di modello a 40 variabili su un computer quantistico, la più grande esecuzione di sempre nel suo genere.
I compositi a strati sono complessi a causa del modo in cui vengono assemblati.
Ogni composito è costituito da migliaia di singoli strati, ovvero lunghi filamenti di materiali super resistenti. Le macchine di precisione sovrappongono le fibre a strati, come grandi telai che tessono razzi e aeroplani invece di tessuti. Le macchine estrudono ogni strato con un'angolazione diversa determinata durante il processo di ingegnerizzazione.
Questi angoli diversi sono importanti perché ogni strato è resistente solo nella direzione in cui è posato.
"Dobbiamo creare uno stack di materiali disposti in più direzioni, l'uno sopra l'altro, in modo da ottenere robustezza in tutte le possibili direzioni in cui ne abbiamo bisogno", ha detto Lowell.
In aggiunta alla complessità del compito, la progettazione aerospaziale pone limiti rigorosi allo spessore e al peso dei compositi. I problemi di progettazione dei compositi a strati di Boeing coinvolgono abitualmente tra 10.000 e 100.000 variabili, ovvero un altro modo per dire che sono complessi dal punto di vista computazionale.
"Questo va ben al di là delle capacità dei computer classici di oggi e ci aspettiamo che lo sarà ancora per alcuni anni", ha affermato Lowell.
Oggi la Boeing ridimensiona i problemi relativi ai compositi in modo tale che i computer classici possono gestirli. Quindi mette insieme tutti questi risultati, seguendo rigide regole di progettazione, per ottenere soluzioni all'intero problema.
Questo approccio è efficace. Si tratta di compositi sicuri e resistenti che Boeing può utilizzare per i suoi aeroplani. Ma ci sono dei costi.
"Se si desidera una linea lunga e dritta di composito", ha affermato Joel Thompson, Associate Technical Fellow di Boeing, "ha senso stendere una linea lunga e dritta di strato, piuttosto che stenderne un pezzetto minuscolo, tagliarlo, stendere il pezzo successivo, tagliarlo e così via.
Questa è una conseguenza dell'approccio secondo cui i componenti sono progettati in piccoli pezzi. Fa in modo che il processo richieda più tempo, impegno e denaro.
"Siamo interessati ad altri approcci per risolvere questo tipo di problema", ha dichiarato Marna Kagele, Technical Fellow di Boeing.
Boeing si augura che, alla fine, i computer quantistici contribuiscano a semplificare questo tipo di risoluzione di problemi complessi. Un computer quantistico potrebbe un giorno risolvere problemi con migliaia di variabili tutte in una volta, senza scomporle in pezzi di dimensioni ridotte.
Come primo passo, i ricercatori di IBM Quantum e Boeing hanno costruito una versione modello del problema del composito a strati per testare l'idea. Hanno ridotto il problema alla sua essenza: trovare il modo ottimale per impilare strati di materiale uno sopra l’altro. Possiamo chiamarlo problema del composito a strati tagliati.
Con i computer quantistici ancora in fase di sviluppo, risolvere questo problema di riduzione utilizzando l’hardware quantistico reale è stata una sfida. I metodi di ottimizzazione quantistica esistenti non utilizzavano abbastanza risorse quantistiche in modo efficiente.
Quando Boeing e IBM Quantum hanno iniziato a collaborare, il loro toolkit di algoritmi di ottimizzazione quantistica standard poteva codificare solo una variabile binaria, a simboleggiare un 1 o un 0 per ogni qubit.
(I qubit sono unità fondamentali di calcolo quantistico più o meno equivalenti ai bit binari, che formano gli 1 e gli 0 in un computer classico.)
Per progettare l'ala completa di un aereo è necessario tenere conto di migliaia di variabili, che rappresentano gli strati di composito e le rigorose regole ingegneristiche seguite dalla Boeing per costruire cellule robuste. Il problema del composito a strati tagliati comporta 40 variabili.
I qubit sono risorse preziose nei computer quantistici di oggi, che non sono ancora abbastanza grandi da abbinare un qubit a ciascuna di queste 40 variabili. Questa limitazione ha forzato l'innovazione, ha affermato Kagele.
IBM Quantum ha portato alla Boeing parte del proprio lavoro interno sugli algoritmi quantistici, e i rispettivi team lo hanno utilizzato insieme per sviluppare un nuovo approccio all'ottimizzazione quantistica. Invece di codificare una variabile per ogni qubit, il team ha dimostrato che era possibile codificare tre variabili binarie per ciascuno di essi. Quindi un singolo qubit potrebbe gestire tre volte il carico di informazioni di un bit classico e rappresentare tre volte più variabili.
Si è trattato di un aumento radicale dell'efficienza, anche rispetto ai precedenti algoritmi di ottimizzazione quantistica. Ciò ha portato a un’esecuzione riuscita del problema del composito a strati tagliati su un vero computer quantistico IBM. Con 40 variabili binarie, il team ha eseguito quello che allora era il più grande problema di ottimizzazione binaria mai gestito da un computer quantistico, quasi raddoppiando il record precedente.
"Abbiamo analizzato un problema di ottimizzazione molto ampio che risulta fondamentale per la progettazione dei nostri prodotti e abbiamo dimostrato che i computer quantistici possono affrontare una frazione di quel problema di ottimizzazione, ma lo fanno bene", ha affermato Lowell.
Ci aspettano ancora diversi anni di lavoro da fare prima che Boeing utilizzi i computer quantistici nel suo processo di progettazione, ha aggiunto.
“Abbiamo bisogno che i computer quantistici siano più grandi e gestiscano problemi di ottimizzazione maggiori di quelli che possono fare oggi”, ha affermato, “ma questi nuovi metodi ci hanno permesso di andare molto più lontano di quanto ci aspettassimo quando abbiamo iniziato questo progetto. La soluzione sembra più vicina di quanto ci aspettassimo anche un paio di anni fa".
Oltre alle implicazioni specifiche per l'ottimizzazione quantistica o il problema dei compositi a strati, Kagele ha affermato che il processo di collaborazione con IBM Quantum ha reso Boeing pronta ad affrontare le sfide quantistiche a testa alta.
"Le nostre partnership con clienti come Boeing ci stanno aiutando a spingere la frontiera della ricerca quantistica", ha dichiarato Jennifer Glick, Technical Lead for Quantum Prototypes presso IBM Quantum, che ha lavorato a questa ricerca con il team Boeing. “Attraverso questo lavoro, stiamo iniziando a vedere come sarà un futuro in cui i computer quantistici risolveranno problemi pratici e reali”.
Il rapporto tra i due team è iniziato con IBM Quantum come mentore dei ricercatori di Boeing. Tuttavia, questo supporto ha permesso a Boeing di migliorare rapidamente le sue competenze interne.
"Puoi immaginare con quanta velocità può progredire l'apprendimento se ogni volta che incontri un ostacolo o qualcosa di cui non sei sicuro nel tuo percorso hai qualcuno con più esperienza a cui chiedere", ha affermato Kagele.
Quel tutoraggio è maturato in una collaborazione, che ha portato al loro lavoro innovativo.
"Il nostro obiettivo principale nel portare avanti questo progetto è aiutare la nostra azienda a capire come passare dal fare le cose in modo classico a farle in modo ibrido con metodi quantistici", ha affermato Lowell. "Abbiamo creato un team in grado di farlo, abbiamo sviluppato strumenti interni che renderanno più semplice il lavoro sul prossimo problema."
Con questo team, IBM Quantum e Boeing stanno già esplorando nuovi modi in cui Boeing può ottenere valore dal quantum computing. Un'area di interesse: lo sviluppo di sostanze chimiche avanzate resistenti alla corrosione per il rivestimento degli aeroplani. Man mano che Boeing costruisce la sua forza lavoro quantistica e i computer quantistici migliorano e si espandono, ci si aspetta che l’azienda applichi la risoluzione dei problemi quantistici a più sfide aerospaziali.
Come azienda aerospaziale leader a livello mondiale, Boeing sviluppa, produce e fornisce servizi aerei commerciali, prodotti per la difesa e sistemi spaziali per i clienti in più di 150 paesi. In qualità di principale esportatore statunitense, l'azienda utilizza al meglio il talento di una base di fornitori globale per promuovere opportunità economiche, sostenibilità e impatto sulla comunità. Il team eterogeneo di Boeing è impegnato a innovare per il futuro, puntando sulla sostenibilità e coltivando una cultura basata sui valori fondamentali dell’azienda di sicurezza, qualità e integrità.
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