ارمغان محاسبات کوانتومی برای توسعه صنعت هوافضا
با فناوری: صنعت هوافضا با ظهور محاسبات کوانتومی به دنیای جدیدی وارد می شود و طراحی هواپیماها و فضاپیماها در آینده نزدیک می تواند از توسعه بیش از پیش محاسبات کوانتومی بهره ببرد.
به گزارش با فناوری به نقل از ایسنا، هنوز روزهای اولیه برای محاسبات کوانتومی است. با این وجود، کارشناسان توافق دارند که محاسبات کوانتومی یک نقش کلیدی را در بخش های گوناگون، از ارتباطات امن گرفته تا بانک داری و هوافضا ایفا می کند. جذابیت کوانتوم در توانایی آن برای غلبه بر تنگناهای محاسباتی نهفته است.
به نقل از آی اُتی ورد تودی، صنعت هوافضا با ظهور محاسبات کوانتومی در آستانه یک تحول بزرگ است که تغییر جنبه های مختلف این حوزه را از طراحی و شبیه سازی گرفته تا علم مواد و امنیت سایبری نوید می دهد. کامپیوتر های کوانتومی، پتانسیل حل مسایل پیچیده ای را دارند که هم اکنون غیر قابل حل هستند یا برای حل کردن آنها با بهره گیری از کامپیوتر های کلاسیک به زمان بسیار زیاد و غیرممکن نیاز است. کوانتوم می تواند به پیشرفت در حوزه هایی مانند آیرودینامیک، تحلیل سازه و مدیریت حرارتی کمک نماید.
توسعه نیروی کار کوانتومی برای صنعت هوافضا بمنظور استفاده از قدرت محاسبات کوانتومی ضرورت دارد. این امر مستلزم سرمایه گذاری و تلاش مستمر دولت ها، دانشگاه ها و صنعت برای ایجاد برنامه های آموزشی، کسب مهارت و پیشرفت مهارت های موجود، رسیدگی به چالش های متنوع است.
توسعه محاسبات کوانتومی، نگرانی های مهمی را نیز در ارتباط با اخلاق و حاکمیت در صنعت هوافضا به وجود می آورد. یکی از نگرانی های مهم این است که کامپیوتر های کوانتومی، امنیت اطلاعات حساس در رابطه با مهندسی هوافضا را به خطر می اندازند. یکی دیگر از زمینه های نگرانی، پتانسیل محاسبات کوانتومی برای تشدید معضلات در رابطه با سوگیری و عدالت در تصمیم گیری حوزه هوافضاست. توسعه مقررات و استانداردهای آشکار درباره ی استفاده از محاسبات کوانتومی در مهندسی هوافضا و همین طور تحقیقات و سرمایه گذاری های مداوم در عرصه اخلاقی لازم است.
صنعت هوافضا باید به مسائلی درباره ی مالکیت معنوی و مالکیت محاسبات کوانتومی نیز بپردازد. به عنوان مثال، اگر یک شرکت از کامپیوتر کوانتومی برای توسعه یک ماده یا طرح جدید استفاده نماید، حقوق آن نوآوری متعلق به چه کسی است؟ این امر خصوصاً در حوزه هایی مانند اکتشاف فضایی اهمیت دارد که در آن ممکنست چندین سهام دار در توسعه تکنولوژیهای جدید دخیل باشند.
ادغام موفقیت آمیز محاسبات کوانتومی در صنعت هوافضا نیازمند یک رویکرد چند رشته ای است که متخصصان حوزه های مختلف را همچون علوم کامپیوتر، علم مواد و مهندسی گرد هم می آورد.در نهایت، ادغام موفقیت آمیز محاسبات کوانتومی در صنعت هوافضا نیازمند یک رویکرد چندرشته ای است که متخصصان حوزه های مختلف را همچون علوم کامپیوتر، علم مواد و مهندسی گرد هم می آورد. همکاری متخصصان با یکدیگر برای روبرو شدن با چالش ها و استفاده از فرصت های ارائه شده توسط محاسبات کوانتومی اطمینان به وجود می آورد که صنعت هوافضا به خوبی مجهز است تا قدرت خودرا مهار کند و در سال های آتی به هدایت نوآوری بپردازد.
صنعت هوافضا چهار مورد استفاده اصلی برای محاسبات کوانتومی دارد که عبارتند از شبیه سازی هواپیما، بهینه سازی توپولوژی، توسعه سریع مواد و یادگیری ماشینی برای تولید پیشرفته.
گزارش شرکت «آی بی ام»(IBM) نشان میدهد این کار، افزایش سرعت توسعه محصولات جدید هوافضا را حتی قبل از پیشرفت تصحیح خطای کوانتومی نوید می دهد که برای سال ۲۰۲۹ پیش بینی شده است.
هواپیماها و فضاپیماها برای داشتن اثربخشی و ایمنی مورد نیاز خود به تعامل پیچیده بین اجزا و سیستم های پیشرفته وابسته هستند. محاسبات کوانتومی یک ترکیب مناسب برای برآورده کردن این نیازها است و انتظار می رود به زودی از سیستم های کلاسیک بهتر عمل کند.
گزارش آی بی ام، چهار مورد استفاده اصلی محاسبات کوانتومی را برای صنعت هوافضا بررسی نموده است.
۱. شبیه سازی هواپیما با دینامیک سیالات محاسباتی و تحلیل اجزای محدود
چرخه طراحی، ساخت و آزمایش مؤلفه های هوافضا یک پروسه تکراریست که می تواند ماه ها یا سال ها طول بکشد. «دینامیک سیالات محاسباتی» و «تحلیل اجزای محدود» که در اوایل پروسه طراحی اعمال می شوند، می توانند تعداد تکرارهای مورد نیاز را برای توسعه کاهش دهند.
الگوریتم های کوانتومی می توانند محاسبات دینامیک سیالات محاسباتی و تحلیل اجزای محدود را سرعت ببخشند و ممکنست شبیه سازی دقیق چندین طرح قابل اطمینان را در مقابل الزامات عملکرد و قابلیت ساخت آن ممکن کنند.
۲. بهینه سازی توپولوژی
توپولوژی به صورت بیرونی هواپیما اشاره دارد. در هواپیماهای تجاری، بهینه سازی توپولوژی می تواند مصرف سوخت، هزینه ها و انتشار کربن را کم کند. طراحی فناوری های پیشرفته همچون پرواز مافوق صوت، قابلیت مشاهده کم و سیستم های کنترل ازراه دور، پیچیدگی بیشتری را به هواپیما می افزاید و سیستم های کلاسیک را به چالش می کشد.
محاسبات کوانتومی می تواند تعداد بیشتری از شاخصهای شبیه سازی و بهینه سازی را بطور هم زمان درنظر بگیرد و روند طراحی را برای هواپیماها و فضاپیماهای کارآمدتر سرعت ببخشد.
معرفی کامپوزیت های فیبر کربن به هواپیمای «بوئینگ ۷۸۷» حدود ۹ سال طول کشید و ۵.۵ میلیارد دلار هزینه داشت.۳. توسعه سریع مواد
مواد جدید می توانند مزایایی را برای ایمنی و وزن هواپیما عرضه کنند، اما قبل از این که به مرحله تولید راه یابند، باید تحت یک پروسه آزمایشی دقیق در وضعیت واقعی قرار بگیرند. معرفی کامپوزیت های فیبر کربن به هواپیمای «بوئینگ ۷۸۷» حدود ۹ سال طول کشید و ۵.۵ میلیارد دلار هزینه داشت.
کوانتوم می تواند به بررسی، آزمایش و توسعه مواد مناسب برای صنعت هوافضا با قابلیت های پیشرفته، سرعت بیشتر و هزینه کمتر کمک نماید.
۴. یادگیری ماشینی برای تولید و کنترل کیفیت
مؤلفه های صنعت هوافضا تحت تعدادی از دقیق ترین کنترل های کیفی قرار می گیرند. محاسبات کوانتومی می تواند یادگیری ماشینی را بهبود ببخشد و الگوریتم های تشخیص الگوی مورد استفاده را جهت بررسی مؤلفه های هوافضا بهینه سازی کند تا اطمینان حاصل شود که همه قطعات تولیدشده با طراحی اصلی مطابقت دارند.
مبانی محاسبات کوانتومی
محاسبات کوانتومی بر اصول مکانیک کوانتومی متکی است که رفتار ماده و انرژی را در کوچک ترین مقیاس ها توصیف می کند. بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها، واحدهای بنیادی اطلاعات کوانتومی هستند و می توانند در چندین حالت بطور هم زمان وجود داشته باشند که به عنوان «برهم نهی کوانتومی» شناخته می شود. این خاصیت به کیوبیت ها امکان می دهد تا مقادیر زیادی از اطلاعات را بصورت موازی پردازش کنند و همین ویژگی، سرعت آنها را نسبت به بیت های کلاسیک برای انواع خاصی از محاسبات می افزاید. همچنین، کیوبیت ها می توانند به حالت «درهم تنیدگی» وارد شوند و این بدان معناست که وضعیت کیوبیت ها به یکدیگر وابسته است؛ حتی زمانی که با فواصل زیاد از هم جدا شوند.
الگوریتم های کوانتومی به شکلی طراحی شده اند که از خاصیت های منحصربه فرد کیوبیت ها برای حل مسایل خاص بطور مؤثرتر نسبت به الگوریتم های کلاسیک بهره گیرند. نمونه های ارائه شده از الگوریتم های کوانتومی نشان داده اند که نسبت به همتایان کلاسیک خود سرعت قابل توجهی را ارائه می دهند.
محاسبات کوانتومی بر اصول مکانیک کوانتومی متکی است که رفتار ماده و انرژی را در کوچک ترین مقیاس ها توصیف می کند. محاسبات کوانتومی می تواند زمینه هایی مانند مهندسی هوافضا را با شبیه سازی سیستم های پیچیده که هم اکنون با کامپیوتر های کلاسیک غیر قابل حل هستند، متحول کند. به عنوان مثال، شبیه سازی رفتار مواد در سطح مولکولی می تواند به کشف مواد جدید با خواص منحصربه فرد کمک نماید.
توسعه محاسبات کوانتومی عملی یک حوزه پژوهشی فعال است که چندین رویکرد درحال بررسی را همچون کیوبیت های ابررسانا، یون های به دام افتاده و محاسبات کوانتومی توپولوژیکی در بر می گیرد. هر رویکرد مزایا و چالش های خاص خودرا دارد، اما در سالیان اخیر پیشرفت قابل توجهی به طرف تحقق یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس پذیر انجام شده است.
چالش های امروز مهندسی هوافضا
مهندسی هوافضا با چالش های قابل توجهی در توسعه مواد پیشرفته برای سازه های هواپیما و فضاپیما روبه رو است. یکی از چالش های اصلی، نیاز به مواد سبک وزن و در عین حال محکم است که بتوانند در مقابل دماها و تنش های شدید مقاومت کنند. محققان درحال بررسی مواد جدیدی مانند پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن و آلیاژهای آلومینیومی پیشرفته هستند که نسبت مقاومت به وزن را در مقایسه با مواد سنتی بهبود می بخشند.
چالش دیگر در مهندسی هوافضا، توسعه سیستم های کارآمدتر پیشرانه است. موتورهای سنتی مبتنی بر سوخت فسیلی با پیشرانه های الکتریکی و هیبریدی-الکتریکی جایگزین می شوند که راندمان سوخت را بهبود می بخشند و انتشار گازهای گلخانه ای را کم می کنند، اما سیستم های جدید به مواد و طرح های پیشرفته برای مدیریت اتلاف گرما و عایق الکتریکی نیاز دارند.
استفاده بیش از پیش از مواد کامپوزیت در مهندسی هوافضا نیز چالش های مهمی را به همراه دارد. مواد کامپوزیت مستعد لطمه ناشی از ضربه و فرسودگی هستند که می تواند به شکست فاجعه بار آنها منجر شود. محققان با بهره گیری از سنسورهای پیشرفته و الگوریتم های یادگیری ماشینی درحال توسعه روش های جدیدی برای تشخیص و پایش لطمه در سازه های کامپوزیت هستند.
هواپیماها و فضاپیماهای خودران برای حفظ ایمنی و کارآیی خود به سنسورهای پیشرفته، سیستم های ناوبری و الگوریتم های هوش مصنوعی نیاز دارند، اما این سیستم ها در مقابل حملات سایبری و ایجاد شکاف در داده ها لطمه پذیر هستند که می تواند امنیت آنها را به خطر بیندازد.مهندسی هوافضا با چالش هایی نیز در توسعه سیستم های خودران روبه رو است. هواپیماها و فضاپیماهای خودران برای حفظ ایمنی و کارآیی خود به سنسورهای پیشرفته، سیستم های ناوبری و الگوریتم های هوش مصنوعی نیاز دارند، اما این سیستم ها در مقابل حملات سایبری و ایجاد شکاف در داده ها لطمه پذیر هستند که می تواند امنیت آنها را به خطر بیندازد.
انتظار می رود ادغام محاسبات کوانتومی در مهندسی هوافضا نیز چالش های مهمی را بوجود آورد. کامپیوتر های کوانتومی، پتانسیل شبیه سازی پدیده های پیچیده آیرودینامیکی و ساختاری را دارند اما برای داشتن عملکرد مؤثر نیازمند الگوریتم ها و نرم افزارهای پیشرفته هستند. محققان با بهره گیری از روش های مبتنی بر یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی، درحال توسعه روش های جدیدی در بهینه سازی الگوریتم های کوانتومی برای کاربرد در صنعت هوافضا هستند.
توسعه سوخت های هوایی پایدار یکی دیگر از چالش های مهم در مهندسی هوافضاست. سوخت های پایدار هوانوردی می توانند انتشار گازهای گلخانه ای از هواپیما را تا ۸۰ درصد کاهش دهند، اما به روش ها و زیرساخت های پیشرفته برای تولید نیاز دارند. محققان درحال بررسی روش های جدید برای تولید سوخت های هوایی پایدار با بهره گیری از زیست توده و مواد زائد هستند.
خطرات امنیت سایبری در سیستم های کوانتومی هوافضا
محاسبات کوانتومی، خطرات امنیت سایبری قابل توجهی را برای سیستم های هوافضا خصوصاً سیستم هایی که به ارتباطات ماهواره ای و ناوبری متکی هستند، به همراه دارد. استفاده از کامپیوتر های کوانتومی ممکنست تعدادی از الگوریتم های رمزگذاری کلاسیک را که هم اکنون برای ایمن سازی انتقال داده بین ماهواره ها و ایستگاه های زمینی استفاده می شوند، شکست دهد. این لطمه پذیری ممکنست توسط عوامل مخرب برای دستکاری اطلاعات حساس مورد سوءاستفاده قرار بگیرد و امنیت سیستم های هوافضا را به خطر بیندازد.
این خطر تشدید می شود، برای اینکه خیلی از سیستم های هوافضا به زیرساخت ها و پروتکلهای قدیمی متکی هستند که با رمزنگاری مقاوم در مقابل کوانتوم طراحی نشده اند. به عنوان مثال، «سیستم موقعیت یابی جهانی»(GPS) به الگوریتم های سیستم «رمزنگاری کلید عمومی» متکی است که می توانند در مقابل حملات کوانتومی لطمه پذیر باشند. این امر، نیاز مبرم را به یک رویکرد فعال برای کاهش خطرات بوسیله توسعه پروتکلهای رمزنگاری مقاوم در مقابل کوانتوم و اجرای سیستم های ارتباطی ایمن نشان میدهد.
یکی دیگر از زمینه های نگرانی، پتانسیل کامپیوتر های کوانتومی برای شبیه سازی سیستم های پیچیده هوافضاست که به عوامل مخرب امکان می دهد تا حملات سایبری را روی این سیستم ها آزمایش و تنظیم کنند. این امر می تواند به حملات پیچیده تر و هدفمندتر منجر شود که شناسایی و دفاع در مقابل آنها دشوار است. علاوه بر این، استفاده از هوش مصنوعی و الگوریتم های یادگیری ماشینی در سیستم های هوافضا نیز می تواند لطمه پذیری های جدیدی بوجود آورد که مورد سوءاستفاده کامپیوتر های کوانتومی قرار می گیرند.
توسعه پروتکلهای ارتباطی امن برای سیستم های هوافضا یک حوزه فعال پژوهشی است. بعنوان مثال، محققان استفاده از پروتکلهای «توزیع کلید کوانتومی» را برای انتقال امن داده ها بین ماهواره ها و ایستگاه های زمینی پیشنهاد کرده اند. توزیع کلید کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای رمزگذاری و رمزگشایی پیام ها استفاده می کند؛ به شکلی که از نظر نظریه رهگیری و خواندن آنها بدون شناسایی شدن برای عوامل مخرب نا ممکن باشد.
با این وجود، اجرای پروتکلهای جدید به سرمایه گذاری قابل توجهی در پژوهش و توسعه و همین طور همکاری بین المللی برای ایجاد استانداردها و دستورالعمل های مشترک نیاز دارد. صنعت هوافضا باید آگاهی و آموزش امنیت سایبری را در بین نیروی کار خود در اولویت قرار دهد تا اطمینان حاصل شود که خطرات در رابطه با محاسبات کوانتومی درک می شوند و کاهش می یابند.
محاسبات کوانتومی و ماموریت های اکتشاف فضایی
محاسبات کوانتومی برای ماموریت های اکتشاف فضایی نیازمند توسعه الگوریتم های کوانتومی مقاوم در مقابل خطاست که بتوانند در محیط ناملایم فضا کار کنند. یکی از این الگوریتم ها، «الگوریتم بهینه سازی تقریبی کوانتومی»(QAOA) است که نشان داده می تواند در حل مسایل دستگاه های کوانتومی در کوتاه مدت مؤثر باشد. این الگوریتم خصوصاً برای ماموریت های اکتشاف فضایی مفید می باشد که در آنها منابع محاسباتی محدود و محیط پرسروصدا، اجرای الگوریتم های پیچیده تر را چالش برانگیز می کنند.
محاسبات کوانتومی پتانسیل ایجاد تحول را در حوزه اختردینامیک نیز دارد که برای ماموریت های اکتشاف فضایی مهم است. کامپیوتر های کوانتومی با بهره گیری از قدرت موازی کوانتومی می توانند سیستم های پیچیده اختردینامیک را با کارآیی بیشتری نسبت به کامپیوتر های کلاسیک شبیه سازی کنند و شبیه سازی ماموریت های طولانی تر و پیش بینی دقیق تر مسیر فضاپیماها را ممکن کنند. علاوه بر این، محاسبات کوانتومی را می توان برای بهینه سازی طراحی ماموریت های فضایی مانند یافتن کارآمدترین مسیر برای یک فضاپیما مورد استفاده قرار داد.
توسعه فناوری محاسبات کوانتومی برای ماموریت های اکتشاف فضایی، یک حوزه فعال پژوهشی است. به عنوان مثال، ناسا پروژه «ابتکار محاسبات کوانتومی»(Quantum Computing Initiative) را با هدف بررسی کاربرد محاسبات کوانتومی در اکتشاف فضا به وجود آورده است. آژانس فضایی اروپا نیز یک طرح «ابتکار فناوری کوانتومی»(Quantum Technology Initiative) را با هدف توسعه فناوری های کوانتومی برای کاربردهای فضایی آغاز نموده است.
محیط ناملایم فضا می تواند به ایجاد خطا در محاسبات کوانتومی منجر شود که باید بوسیله توسعه روش های قوی اصلاح خطا کم شود.استفاده از محاسبات کوانتومی در ماموریت های اکتشاف فضایی نیز می تواند چالش ها و محدودیت های مختلفی را بوجود آورد. بعنوان مثال، محیط ناملایم فضا می تواند به ایجاد خطا در محاسبات کوانتومی منجر شود که باید بوسیله توسعه روش های قوی اصلاح خطا کم شود. علاوه بر این، دسترسی محدود به منابع کوانتومی در ماموریت های فضایی مستلزم توسعه الگوریتم هایی است که برای شرایط کم منبع بهینه سازی شده باشند.
با توجه به این چالش ها، مزایای بالقوه محاسبات کوانتومی برای ماموریت های اکتشاف فضایی، آنرا به یک حوزه پژوهشی هیجان انگیز و امیدوارکننده مبدل می کند. همانطور که این میدان به تکامل خود ادامه می دهد، می توان انتظار داشت که پیشرفت های جدیدی را برای کاربرد محاسبات کوانتومی در اکتشافات فضایی به همراه داشته باشد.
توسعه محاسبات کوانتومی، پرسش هایی را درباره ی مسئولیت پذیری و شفافیت در تصمیم گیری پیرامون حوزه هوافضا به وجود می آورد که پاسخ دادن به آنها مستلزم توسعه تجهیزات و روش های جدید جهت بررسی و تأیید تصمیمات اتخاذشده توسط کامپیوتر های کوانتومی است.
در نهایت، نیاز به تحقیقات و سرمایه گذاری مداوم در حوزه اخلاق در هوافضای کوانتومی وجود دارد که شامل توسعه چارچوب ها و روش های جدید برای پرداختن به چالش های منحصربه فرد ناشی از محاسبات کوانتومی است و همچنین، گفت و گو و همکاری مستمر را بین ذی نفعان صنعت، دانشگاه و دولت می طلبد.
منبع: bafanavari.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب