“本源悟空”超導量子計算機助力大規模流體動力學量子計算

轉自合肥國家科學中心人工智能研究院

原標題：

人工智能研究院實現量子計算流體動力學突破：走向大規模高精度模擬

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在量子計算領域，來自合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院、本源量子、中國科學技術大學及其合作機構的研究團隊近日取得了重大突破，成功開發出一種新型的量子計算流體動力學（QCFD）方法，並在真實超導量子計算機上實現了迄今規模最大的QCFD案例。該成果以題爲“Enabling Large-Scale and High-Precision Fluid Simulations on Near-Term Quantum Computers”的論文發表於計算科學和工程領域的國際權威期刊“Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering”。

該研究由陳昭昀副研究員及其團隊主導，聚焦於解決在近期量子計算機上實現計算流體動力學仿真面臨的量子噪聲顯著、比特資源不足等多個關鍵問題。研究團隊提出Iterative-QLS算法，基於最小L2範數原則有效抑制了量子噪聲的影響。爲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，可高效提取量子信息從而保持算法整體優勢。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算法基礎上進一步提出Sub-QLS算法，實現彈性地計算不同規模的CFD問題。基於該算法，研究人員在“悟空”號超導量子計算機上模擬了網格規模爲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。這也是迄今爲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”。

該研究基於人工智能研究院科研團隊項目“量子人工智能算法研究”，並得到了科技部國家重點研發計劃青年科學家項目“面向複雜物理系統求解的量子科學計算算法、軟件、應用與驗證”的支持。合肥綜合性國家科學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、葉創超博士爲論文共同第一作者；中國科學技術大學/中國科學院量子信息重點實驗室的郭國平教授爲論文通訊作者。該研究還得到了中國航空研究院、中國航天空氣動力技術研究院的支持。