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Boeing cherche de nouvelles façons de concevoir des matériaux à la fois solides et légers
IBM et Boeing élaborent une approche quantique rationalisée pour l’un des plus grands défis de l’ingénierie aérospatiale
Le personnel de Boeing est spécialisé en matériaux solides, légers et durables.
C’est un impératif. Les usines du groupe produisent une grande partie de l’infrastructure aérospatiale utilisée dans le monde : satellites, systèmes de défense, engins spatiaux et avions commerciaux. Un grand nombre de ses projets d’ingénierie les plus complexes reposent sur des composites stratifiés. Il s’agit de structures en couches, résistantes et semblables à des plumes, à partir desquelles Boeing fabrique des ailes, des fuselages et d’autres composants.
La conception de composites stratifiés s’avère être un problème complexe en soi, qui dépasse les capacités de résolution des supercalculateurs classiques. Aujourd’hui, les ingénieurs de Boeing résolvent ce problème en le décomposant en plusieurs parties plus petites.
Le partenariat de Boeing avec IBM Quantum a révélé une nouvelle approche quantique qui, espérons-le, permettra de surmonter cette complexité. Bien que les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui ne soient pas encore assez performants pour concevoir la prochaine aile d’avion, les deux entreprises ont fait un pas important vers cet objectif.
« Il ne s’agit pas de savoir si les ordinateurs quantiques seront capables de résoudre nos problèmes métier, mais quand », déclare Jay Lowell, scientifique en chef de l’équipe Disruptive Computing and Networks de Boeing.
Les problèmes de conception des matériaux composites stratifiés de Boeing peuvent impliquer jusqu’à 100 000 variables, bien au-delà des capacités de traitement des supercalculateurs classiques.
Boeing et IBM Quantum ont traité un problème de modèle à 40 variables sur un ordinateur quantique, la plus grande opération de ce type jamais réalisée.
Un problème trop complexe pour les ordinateurs classiques
Les composites stratifiés sont complexes en raison de la manière dont ils sont assemblés.
Chaque composite est composé de milliers de plis individuels, qui sont eux-mêmes constitués de longs fils de matériaux ultra-résistants. Les machines de précision superposent les fibres les unes sur les autres, comme de grands métiers à tisser qui fabriquent des fusées et des avions au lieu de tissus. Les machines extrudent chaque couche selon un angle différent déterminé pendant le processus d’ingénierie.
Ces angles variés sont importants, car chaque pli n’est solide que dans la direction dans laquelle il est posé.
« Nous devons créer un empilement de matériaux qui se superposent dans plusieurs directions afin d’obtenir de la force dans toutes les directions possibles », explique M. Lowell.
Pour ajouter à la complexité de la tâche, la conception aérospatiale impose des limites strictes à l’épaisseur et au poids des composites. Les problèmes de conception de composites stratifiés de Boeing impliquent régulièrement entre 10 000 et 100 000 variables, ce qui revient à dire qu’ils nécessitent des calculs complexes.
« Ces calculs vont bien au-delà de la capacité des ordinateurs classiques d’aujourd’hui, et nous nous attendons à ce que cela reste ainsi pendant un certain nombre d’années », déclare M. Lowell.
Aujourd’hui, Boeing décompose ses problèmes de composites stratifiés en éléments plus petits, que les ordinateurs classiques peuvent gérer. Les ingénieurs combinent ensuite tous ces résultats, en suivant des règles de conception strictes, pour obtenir des solutions à l’ensemble du problème.
Cette approche est efficace. Elle permet d’obtenir des matériaux composites sûrs et résistants, que Boeing peut utiliser pour ses avions. Mais elle représente des coûts.
« Si vous cherchez à obtenir une longue ligne droite de composite », déclare Joel Thompson, membre technique associé chez Boeing, « il est logique de poser une bande droite ininterrompue de plis plutôt qu’une série de segments découpés les uns à la suite des autres. »
La conséquence de l’approche où les composants sont conçus en petits segments, c’est que le processus est plus long, plus laborieux et plus coûteux.
« Nous souhaitons explorer d’autres approches pour résoudre ce type de problème », déclare Marna Kagele, technicienne chez Boeing.
Boeing espère que les ordinateurs quantiques finiront par être capables de traiter ce type de problème complexe. Un ordinateur quantique pourrait un jour résoudre des problèmes avec des milliers de variables en même temps, sans les fractionner en parties plus petites.
Dans un premier temps, les chercheurs d’IBM Quantum et de Boeing ont construit une version modèle du problème des composites stratifiés pour tester l’idée. Ils ont ramené le problème à l’essentiel : trouver la manière optimale d’empiler des couches de matériaux les unes sur les autres. C’est ce que l’on appelle le défi des composites stratifiés.
Les ordinateurs quantiques n’étant pas encore au point, résoudre ce défi des composites stratifiés à l’aide d’un véritable appareil quantique est un défi. Les méthodes d’optimisation quantique existantes n’utilisent pas les ressources quantiques de manière suffisamment efficace.
Lorsque Boeing et IBM Quantum ont commencé à travailler ensemble, leur boîte à outils d’algorithmes d’optimisation quantique standard pouvait coder une seule variable binaire – représentant un 1 ou un 0 – pour chaque qubit.
(Les qubits sont des unités fondamentales du calcul quantique à peu près équivalentes aux bits binaires, qui forment les 1 et les 0 dans un ordinateur classique.)
Pour concevoir une aile d’avion complète, vous devez prendre en compte des milliers de variables, qui représentent les plis, ainsi que les règles d’ingénierie rigoureuses que Boeing suit pour construire des cellules solides. Le défi des composites stratifiés implique 40 variables.
Les qubits sont des ressources précieuses dans les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui, qui ne sont pas encore assez performants pour faire correspondre un qubit à chacune de ces 40 variables. Cette limitation a été un moteur d’innovation, déclare Mme Kagele.
IBM Quantum a apporté à Boeing certains de ses propres travaux internes sur les algorithmes quantiques, que les équipes ont utilisés ensemble pour développer une nouvelle approche de l’optimisation quantique. Plutôt que d’encoder une variable pour chaque qubit, l’équipe a montré qu’il était possible d’encoder trois variables binaires pour chaque qubit. Ainsi, un seul qubit peut traiter une charge d’informations trois fois plus importante qu’un bit classique et représenter trois fois plus de variables.
Il s’agissait d’une augmentation radicale de l’efficacité, même par rapport aux algorithmes d’optimisation quantique antérieurs. Cela a conduit à un traitement réussi du problème des composites stratifiés sur un véritable ordinateur quantique d’IBM. Avec 40 variables binaires, l’équipe a traité ce qui était alors le plus grand problème d’optimisation binaire jamais effectué sur un ordinateur quantique, doublant ainsi le record précédent.
« Nous avons analysé un problème d’optimisation très important qui est au cœur de la conception de nos produits et avons montré que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre une fraction de ce problème d’optimisation », explique M. Lowell.
Il reste encore plusieurs années de travail à accomplir avant que Boeing n’utilise des ordinateurs quantiques dans son processus de conception, a-t-il ajouté.
« Nous avons besoin d’ordinateurs quantiques plus performants, et qui traitent des problèmes d’optimisation plus complexes qu’ils ne le peuvent aujourd’hui », a-t-il déclaré, « mais ces nouvelles méthodes nous ont permis d’aller bien plus loin que ce à quoi nous nous attendions lorsque nous avons lancé ce projet. La solution semble plus proche que ce que nous pensions il y a encore quelques années. »
Au-delà des implications spécifiques pour l’optimisation quantique ou pour le problème des composites stratifiés, Mme Kagele explique que le processus de collaboration avec IBM Quantum a permis à Boeing de s’attaquer de front aux défis quantiques.
« Nos partenariats avec des clients comme Boeing nous aident à repousser les frontières de la recherche quantique », déclare Jennifer Glick, responsable technique des prototypes quantiques chez IBM Quantum, qui a travaillé sur cette recherche avec l’équipe de Boeing. « Grâce à ces travaux, nous commençons à entrevoir un avenir où les ordinateurs quantiques résoudront des problèmes réels et pratiques. »
La relation entre les deux équipes a commencé par le mentorat des chercheurs de Boeing par IBM Quantum. Mais ce soutien a également permis à Boeing d’améliorer rapidement ses compétences internes.
« Imaginez la rapidité avec laquelle vous pouvez progresser lorsque, à chaque fois que vous rencontrez un obstacle ou quelque chose dont vous n’êtes pas sûr dans votre parcours d’apprentissage, vous pouvez vous adresser à un interlocuteur qui a toute l’expérience requise », explique Mme Kagele.
Ce mentorat s’est transformé en une véritable collaboration, qui a conduit à un travail révolutionnaire.
« En mettant en place ce projet, notre objectif principal est d’aider notre entreprise à comprendre comment passer d’une approche classique à une approche hybride avec des méthodes quantiques », déclare M. Lowell. « Nous avons constitué une équipe capable de relever le défi, et nous avons développé des outils internes qui faciliteront la résolution du prochain problème. »
Cette équipe étant constituée, IBM Quantum et Boeing explorent déjà de nouvelles façons pour Boeing de tirer parti de l’informatique quantique. Un domaine d’intérêt : le développement de produits chimiques avancés résistant à la corrosion pour recouvrir les avions. Au fur et à mesure que Boeing développe sa main-d’œuvre quantique et que les ordinateurs quantiques s’améliorent et évoluent, on peut s’attendre à ce que l’entreprise applique la résolution de problèmes quantiques à davantage de défis aérospatiaux.
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Leader mondial de l’industrie aérospatiale, Boeing développe des avions commerciaux, des produits de défense et des systèmes spatiaux, les fabrique et en assure la maintenance pour des clients dans plus de 150 pays. Première exportatrice américaine, l’entreprise exploite les talents d’une base mondiale de fournisseurs pour faire progresser les opportunités économiques, la durabilité et l’impact communautaire. L’équipe diversifiée de Boeing s’engage à innover pour l’avenir, à favoriser la durabilité et à promouvoir une culture basée sur les valeurs fondamentales de l’entreprise, à savoir la sécurité, la qualité et l’intégrité.
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