变分量子线性求解算法在高速飞行器定常绕流数值模拟中的应用

CFD方法在用于三维大规模复杂流动的空气动力学数值模拟时,面临着计算成本高、模拟时间长等瓶颈问题。近年来,量子计算为航空航天CFD领域带来了新的解决思路,通过利用量子比特的叠加态和纠缠特性,理论上相比于经典计算机能够实现对数级的存储缩减和指数级的效率加速,在处理大规模空气动力学模拟等任务上具有巨大的潜力。聚焦于量子计算技术在航空航天CFD领域的应用探索,针对高速定常流动问题,采用变分量子线性求解器(variational quantum linear solver,VQLS)辅助求解CFD时间离散环节得到的高维线性方程组,进而发展了可以在含噪声中等规模量子(noisy intermediate-scale quantum,NISQ)器件上实现的VQLS-CFD耦合方法。通过三维双椭球模型和探测器火星科学实验室模型的超声速数值模拟测试,验证了VQLS-CFD耦合方法可以实现大规模复杂流动的鲁棒及准确模拟,并产生与试验数据吻合度较高的计算结果,最终获得高可信度的气动预测结果。然而,介绍的量子计算流体力学(quantum computational fluid dynamics,QCFD)方法在计算效率方面尚未达到真正意义上的加速效果,这一现象的突破将依赖量子计算机硬件的持续发展与QCFD算法的不断优化与成熟。

基于量子计算机的海洋环流模拟算法

对海洋环流进行准确且高效的模拟是海洋科学的一个基本任务,也是一个众所周知的难点,因为它涉及求解多变量的非线性偏微分方程组.本文首次提出一种基于量子计算机的海洋环流模拟算法,可以提供指数级的量子算力加速.本文算法从海洋动力学原始方程出发,经过空间和时间离散化得到若干具有稀疏系数矩阵的线性方程组,然后利用变分量子线性方程求解器求解,从而使算法更容易在近期量子计算机上运行.这一算法属于量子-经典混合算法,为此我们发展了一套基于量子存储器和l∞范数态层析的数据流控制方案,以完成量子计算机与经典计算机之间的数据交互.我们在MATLAB、量子虚拟机和真实量子计算机等多种计算平台上验证了算法的有效性,并讨论了测量次数和量子门噪声等因素对算法输出结果准确性的影响.结果表明,误差缓解技术可以有效提高输出解的精度.我们的算法是利用量子计算机模拟海洋环流这一挑战性问题的一个重要进展,随着量子计算科技的迅速发展,它有望在不久的将来获得应用,从而有力地促进海洋科学的发展.