【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】作為潛在的顛覆性技術(shù)，量子計(jì)算預(yù)期在未來(lái)能夠解決部分現(xiàn)實(shí)世界中的難題。流體動(dòng)力學(xué)是經(jīng)典物理與工程應(yīng)用中極具挑戰(zhàn)的問(wèn)題，可作為展示量子計(jì)算實(shí)用性與優(yōu)越性的范例。北京大學(xué)工學(xué)院楊越與合作團(tuán)隊(duì)于2024年在流體力學(xué)量子計(jì)算研究中取得了系列進(jìn)展：在理論方面提出了流體動(dòng)力學(xué)的量子自旋表示[1,2]，即通過(guò)廣義Madelung變換，建立流體納維斯托克斯方程與量子薛定諤泡利方程之間的數(shù)學(xué)映射。這樣可將流體系統(tǒng)視為一特殊的量子系統(tǒng)，便于直接在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行流動(dòng)模擬；在算法方面提出了基于流體量子表示的哈密頓模擬算法，可對(duì)含渦動(dòng)力學(xué)的可壓縮/不可壓流動(dòng)以及標(biāo)量對(duì)流反應(yīng)擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行量子模擬[3,4]，并借助量子傅里葉變換在流動(dòng)演化過(guò)程中取得量子加速。
圖1 基于哈密頓模擬的流體動(dòng)力學(xué)量子計(jì)算示意圖
在量子真機(jī)實(shí)驗(yàn)方面，楊越課題組與浙江大學(xué)物理學(xué)院王浩華、宋超課題組合作，在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上首次實(shí)現(xiàn)了非定常流體動(dòng)力學(xué)的端到端數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)[3]。該實(shí)驗(yàn)基于哈密頓模擬方法，使用了10個(gè)高保真度量子比特，對(duì)可壓縮漸擴(kuò)勢(shì)流和薛定諤渦流的結(jié)果定量預(yù)測(cè)了流動(dòng)主要演化過(guò)程。特別是實(shí)驗(yàn)中將含特定源項(xiàng)的渦量動(dòng)力學(xué)方程映射為線性雙分量薛定諤方程，從而在薛定諤渦流的算例中包含了非線性渦動(dòng)力學(xué)過(guò)程。而另一方面，由于目前量子計(jì)算機(jī)存在顯著噪聲，流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中顯示出類似于湍流漲落的誤差。該研究表明，盡管目前量子計(jì)算在初態(tài)制備、量子態(tài)演化和測(cè)量方面存在諸多挑戰(zhàn)，但具有潛力模擬湍流等復(fù)雜流動(dòng)。
圖2 薛定諤渦流量子模擬在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
北京大學(xué)工學(xué)院博士生孟昭遠(yuǎn)為該系列研究論文[1—3]第一/共同第一作者，助理研究員盧臻為論文[4]第一作者，楊越為通訊/共同通訊作者。相關(guān)研究得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、科學(xué)探索獎(jiǎng)資助。該研究進(jìn)展也迅速得到了國(guó)內(nèi)外同行關(guān)注，楊越今年受邀于國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)大會(huì)(ICTAM)、美國(guó)工業(yè)和應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)(SIAM)年會(huì)、劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與理論物理系作相關(guān)分會(huì)/研討會(huì)報(bào)告，還在今年7月組織舉行首屆“流體力學(xué)量子計(jì)算前沿研討會(huì)”，推動(dòng)該學(xué)科交叉方向發(fā)展。
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