中國科學家利用我國自主量子計算機“本源悟空”成功實現全球最大規模量子計算流體動力學模擬
2024-10-27 01:37:20 5
IT之家 10 月 25 日訊息，計算流體動力學廣泛應用於航空航天、汽車工程、船舶設計等領域，飛行器、汽車及船舶的外形設計都與其緊密相關。算力提升可以加快飛機、汽車的更新迭代和降低設計成本。然而，傳統計算機越來越難以滿足這些領域對計算規模、計算精度和計算速度的要求。
安徽省量子計算工程研究中心表示，我國科學家近期取得了重大突破，成功開發出一種新型的量子計算流體動力學（QCFD）方法，並在中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上實現了迄今全球規模最大的 QCFD 模擬案例。
這標誌著國產量子算力在解決實際問題方面取得重要進展，目前相關成果已經發表在國際期刊《應用力學與工程中的計算機方法》上（DOI:10.1016/j.cma.2024.117428）。
IT之家查詢公開資料獲悉，今年 1 月全球上線的“本源悟空”，是目前我國先進的可程式設計、可交付超導量子計算機，已為來自全球 133 個國家超 1500 萬人次提供量子云服務，完成 27 萬個量子運算任務。
據官方介紹，該研究由陳昭昀副研究員及其團隊主導，聚焦於解決在近期量子計算機上實現計算流體動力學模擬面臨的量子噪聲顯著、位元資源不足等多個關鍵問題。
研究團隊提出 Iterative-QLS 演算法，基於最小 L2 範數原則有效抑制了量子噪聲的影響。為了避免量子態層析過程的大量計算資源消耗，團隊還創新性地提出一種稀疏層析方法，可高效提取量子資訊從而保持演算法整體優勢。
成果在本源量子的“悟空”號超導計算機上對上述高效容錯量子演算法進行了驗證併成功模擬了二維 Poiseuille 流動，計算結果與理論解的相對誤差低於 0.2%，實現了在當前含噪量子計算機的流動高精度模擬。
針對當前量子計算機的計算資源十分有限，難以支撐實際流動問題模擬需求，研究團隊在 Iterative-QLS 演算法基礎上進一步提出 Sub-QLS 演算法，實現彈性地計算不同規模的 CFD 問題。
基於該演算法，研究人員在“悟空”號超導量子計算機上模擬了網格規模為 41×41 非定常聲波傳播問題，求解的線性方程組維度高達 5043，成功展示了在超導量子計算機上進行大規模流體模擬的潛力。這也是迄今為止國際上採用量子計算的最大規模 CFD 案例。
論文給出了一套利用量子計算模擬實際 CFD 問題的綜合性方法，使得在含噪的量子計算機上也能進行高精度、大規模的流動模擬。陳昭昀副研究員表示：“未來，我們有望在 NISQ (含噪中等規模量子) 階段利用量子計算解決一些目前 CFD 由於算力不足而無法模擬的流動問題。進一步把握好量子計算的科學價值，挖掘其戰略意義”。
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