11月初的北京，秋雨微凉，而在中国民航科学技术研究院内，却是一派热闹景象——“致未来·C-Talk”公益性科技演讲大会现场，百余位不同行业的专家学者，正讨论得热火朝天。

一边是叩问微观世界量子科技专家，一边是放眼万米高空的航空从业者，这些来自不同领域的观点激烈碰撞，只为探索同一个追问：量子与航空的融合，将重新定义什么？

“致未来·C-Talk”公益性科技演讲大会现场。主办方供图

把量子带上天空

提起量子，你会想到什么？是微观世界中、连肉眼都无法分辨的原子，还是高深莫测、科幻小说里常常出现的物理词汇？

“从量子力学的角度来讲，我们经历了两次量子科技革命。第一次是被动发现了量子力学的一些规律，第二次则是进入21世纪，量子计算、量子通信和量子精密测量等新兴技术，极大地改变和提高了人类获取、传输和处理信息的方式和能力。”活动现场，北京量子信息科学研究院研究员于海峰介绍道。

而量子，这一微观世界能量、物质的最小离散基本单元，如何与翱翔在蓝天白云中的钢铁巨物摩擦出创新的火花？

“先回想一个生活场景，无论出行是开车还是骑车，都会依赖手机的导航软件。”中国航空工业集团西安飞行自动控制研究所高级工程师王宇晨举了个例子，一旦进入隧道、地下车库等卫星信号薄弱的地方，定位就极易中断。

“但如果是航空器，比如一架满载数百乘客的民航客机，遇到天气干扰和电磁场异常等突发情况，卫星信号中断，会怎样呢？”看着台下面面相觑的目光，王宇晨指出，“当前航空导航的重要问题，就是过度依赖脆弱的卫星信号。”

可除了卫星信号，还有哪些方式能够实现可靠导航？微观世界的原子给出了新答案。

“原子跃迁频率不随外界的环境、温度变化而改变，量子惯性传感理论上具备无漂移的特性，原子在真空内部自由运行，不会因外界干扰而产生偏差。”王宇晨解释称，这一技术能在卫星信号受限时，为飞行安全构筑一道安全屏障。

从目视飞行到机械罗盘辅助驾驶，再到惯性导航技术的成熟、卫星和无线电构筑起新型导航网络……迈向航天的每一步里，人类都有着更高、更远、更安全的导航追求。

“当工程控制能力和触角逐渐深入到微观世界中最底层原子的时候，我们可以探索构建一种基于量子惯性传感的新型导航体系。”王宇晨说，而有朝一日，原子也将支撑航空器实现更安全、从容的飞行。

让“对话”更安全

在飞机与卫星的“对话”中，安全性是不容忽视的另一道挑战。

“通信是永恒的追求，现在的数据都是有价值的，我们希望能得到更高的安全性保障。”清华大学物理系教授李俊林说，而他和团队采取的方案，是高速移动光通信。

“光通信和微波通信相比，最大的优点就是快。”李俊林介绍道，对于飞机这类高速移动平台，通常对通信速率有较高要求。而在速度之外，通信安全和数据安全，则是另一重挑战。

在飞机与卫星的空间光通信中，传统调制方式易受大气湍流、风场干扰，再加上两者都在高速移动，想要精准对准、稳住光束并不容易。

“基于量子光学的相关性，我们研究了关联通信技术。”李俊林说，这一方案不仅抗湍流、抗环境光干扰能力突出，还能大幅降低瞄准跟踪的精度要求，多普勒频移带来的影响几乎可以忽略。

安全这件事，不只存在于万米高空。低空经济要想实现行稳致远，清晰可靠的实时空域感知同样必不可少。

“随着低空飞行器越来越多，大量‘低慢小’目标很难被发现。且楼房遮挡、地面杂波、恶劣天气，都会让传统微波雷达的效果大打折扣，使传统微波雷达面临很大的现实挑战。”中国民航科学技术研究院总工程师李敬说。

一旦监视存在盲区，就难逃安全隐患。而量子感知凭借独特的物理机制，为低空监视提供了新的思路。

“单光子探测可捕获微弱光回波，支撑弱信号下的测距与成像，而高灵敏度量子磁传感器能够捕捉细微磁场变化，在特定场景实现无源探测，形成有效补充。”李敬说。

而当前更务实的思路，不光是在技术上找到突破口，还得拿到真实低空环境中，进行实测验证。

“能不能探测到目标、会不会误报，能覆盖多大范围，成本能否接受。”李敬抛出了一连串问题，“再把它和雷达、光电、无线电监测融合验证，多一条感知路径，就多一层安全保障。”

这些想法不止是说说而已。“探测更灵敏，低空运行更稳妥，城市迎接新业态时才能从容有序。”这正是他想达成的目标。

“飞天”？没那么简单

当量子科技离开物理学家的实验室，走向真实的工程应用，还面临着更多挑战。

“现实中，民航客机具有机体、发动机震动等问题，且高空气流会影响整个系统，地球不同区域还存在电磁噪声。”王宇晨指出，而多重噪声的叠加，不仅会干扰量子精密测量，甚至会淹没微弱的量子传感信号。

此外，目前法国天文台拥有当前精度最高的冷原子陀螺，可以精准感知地球自转二十万分之一的微弱变化。但这套装置“个头”远超两米，相较于寸土寸金的飞行器内部空间，这类庞大的产品形态无法直接上机，还需要持续优化、缩小体积，才能真正塞进飞机机头内部。

“同时，尽管量子传感器具备高精度的测量特点，但现阶段在工程上仍无法达到传统测量方案一样，覆盖很大的测量范围尺度。”王宇晨说，因此，如何实现二者的结合仍是一道难题。

“我们可以把传统传感器看成游标卡尺的主尺，量子传感就是上面那把游标：主尺负责大范围测量，量子游标则提供更高精度、不会慢慢飘移的基准。”在王宇晨看来，如果能充分发挥两类传感器的长处，就能进一步提升航空导航传感器的整体性能。

“当前，在流体力学领域，量子计算机还只是‘小试牛刀’的应用。”于海峰认为，在航空航天领域，量子计算有三大“看家本领”。

首先是存储能力，量子比特越多，存储量就会呈指数级上涨。50个量子比特就能达到大约1016的存储规模，在进行有限元网格计算时，能画出密度极高的计算网格；

其次，在求解线性方程组时，用于求解线性方程组的量子加速（HHL）线性方程算法，可以处理不少棘手的计算问题，是计算流体力学（CFD）的强大工具。

最后，量子演化擅长解决组合优化、寻找最优方案这类问题。简单而言，就是先把问题翻译成量子的初始状态，规划演化路径，从中搜寻最优方案。

“这三点就是量子计算切入流体力学的潜在方向。”于海峰总结道，而面对更复杂的场景时，离不开算法与硬件的持续优化，“这也是量子计算和航空领域深度融合的突破点。”