轉(zhuǎn)自合肥國家科學(xué)中心人工智能研究院

原標(biāo)題：

人工智能研究院實現(xiàn)量子計算流體動力學(xué)突破：走向大規(guī)模高精度模擬

在量子計算領(lǐng)域，來自合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院、本源量子、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及其合作機構(gòu)的研究團隊近日取得了重大突破，成功開發(fā)出一種新型的量子計算流體動力學(xué)（QCFD）方法，并在真實超導(dǎo)量子計算機上實現(xiàn)了迄今規(guī)模最大的QCFD案例。該成果以題為“Enabling Large-Scale and High-Precision Fluid Simulations on Near-Term Quantum Computers”的論文發(fā)表于計算科學(xué)和工程領(lǐng)域的國際權(quán)威期刊“Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering”。

該研究由陳昭昀副研究員及其團隊主導(dǎo)，聚焦于解決在近期量子計算機上實現(xiàn)計算流體動力學(xué)仿真面臨的量子噪聲顯著、比特資源不足等多個關(guān)鍵問題。研究團隊提出Iterative-QLS算法，基于最小L2范數(shù)原則有效抑制了量子噪聲的影響。為了避免量子態(tài)層析過程的大量計算資源消耗，團隊還創(chuàng)新性地提出一種稀疏層析方法，可高效提取量子信息從而保持算法整體優(yōu)勢。成果在本源量子的“悟空”號超導(dǎo)計算機上對上述高效容錯量子算法進行了驗證并成功模擬了二維Poiseuille流動，計算結(jié)果與理論解的相對誤差低于0.2%，實現(xiàn)了在當(dāng)前含噪量子計算機的流動高精度模擬。

針對當(dāng)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算法基礎(chǔ)上進一步提出Sub-QLS算法，實現(xiàn)彈性地計算不同規(guī)模的CFD問題?；谠撍惴ǎ芯咳藛T在“悟空”號超導(dǎo)量子計算機上模擬了網(wǎng)格規(guī)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(dǎo)量子計算機上進行大規(guī)模流體模擬的潛力。這也是迄今為止國際上采用量子計算的最大規(guī)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(guī)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(guī)模量子)階段利用量子計算解決一些目前CFD由于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(xué)價值，挖掘其戰(zhàn)略意義”。該研究基于人工智能研究院科研團隊項目“量子人工智能算法研究”，并得到了科技部國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目“面向復(fù)雜物理系統(tǒng)求解的量子科學(xué)計算算法、軟件、應(yīng)用與驗證”的支持。合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院的陳昭昀副研究員與本源量子的馬騰陽博士、葉創(chuàng)超博士為論文共同第一作者；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)/中國科學(xué)院量子信息重點實驗室的郭國平教授為論文通訊作者。該研究還得到了中國航空研究院、中國航天空氣動力技術(shù)研究院的支持。