“本源悟空”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)助力大規(guī)模流體動(dòng)力學(xué)量子計(jì)算

轉(zhuǎn)自合肥國(guó)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(shí)現(xiàn)量子計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)突破：走向大規(guī)模高精度模擬

在量子計(jì)算領(lǐng)域，來(lái)自合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院、本源量子、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)及其合作機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)近日取得了重大突破，成功開發(fā)出一種新型的量子計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（QCFD）方法，并在真實(shí)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上實(shí)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(jì)算科學(xué)和工程領(lǐng)域的國(guó)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(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，聚焦于解決在近期量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真面臨的量子噪聲顯著、比特資源不足等多個(gè)關(guān)鍵問題。研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算資源消耗，團(tuán)隊(duì)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(shì)。成果在本源量子的“悟空”號(hào)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)上對(duì)上述高效容錯(cuò)量子算法進(jìn)行了驗(yàn)證并成功模擬了二維Poiseuille流動(dòng)，計(jì)算結(jié)果與理論解的相對(duì)誤差低于0.2%，實(shí)現(xiàn)了在當(dāng)前含噪量子計(jì)算機(jī)的流動(dòng)高精度模擬。

針對(duì)當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源十分有限，難以支撐實(shí)際流動(dòng)問題模擬需求，研究團(tuán)隊(duì)在Iterative-QLS算法基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出Sub-QLS算法，實(shí)現(xiàn)彈性地計(jì)算不同規(guī)模的CFD問題?；谠撍惴?，研究人員在“悟空”號(hào)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)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(dá)5043，成功展示了在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模流體模擬的潛力。這也是迄今為止國(guó)際上采用量子計(jì)算的最大規(guī)模CFD案例。

論文給出了一套利用量子計(jì)算模擬實(shí)際CFD問題的綜合性方法，使得在含噪的量子計(jì)算機(jī)上也能進(jìn)行高精度、大規(guī)模的流動(dòng)模擬。陳昭昀副研究員表示：“未來(lái)，我們有望在NISQ(含噪中等規(guī)模量子)階段利用量子計(jì)算解決一些目前CFD由于算力不足而無(wú)法模擬的流動(dòng)問題。進(jìn)一步把握好量子計(jì)算的科學(xué)價(jià)值，挖掘其戰(zhàn)略意義”。該研究基于人工智能研究院科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“量子人工智能算法研究”，并得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目“面向復(fù)雜物理系統(tǒng)求解的量子科學(xué)計(jì)算算法、軟件、應(yīng)用與驗(yàn)證”的支持。合肥綜合性國(guó)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(yáng)博士、葉創(chuàng)超博士為論文共同第一作者；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)/中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭國(guó)平教授為論文通訊作者。該研究還得到了中國(guó)航空研究院、中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的支持。