中国科学家利用我国自主量子计算机“本源悟空”成功实现全球最大规模量子计算流体动力学仿真

IT之家 10 月 25 日消息，计算流体动力学广泛应用于航空航天、汽车工程、船舶设计等领域，飞行器、汽车及船舶的外形设计都与其紧密相关。算力提升可以加快飞机、汽车的更新迭代和降低设计成本。然而，传统计算机越来越难以满足这些领域对计算规模、计算精度和计算速度的要求。

安徽省量子计算工程研究中心表示，我国科学家近期取得了重大突破，成功开发出一种新型的量子计算流体动力学（QCFD）方法，并在中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上实现了迄今全球规模最大的 QCFD 仿真案例。

这标志着国产量子算力在解决实际问题方面取得重要进展，目前相关成果已经发表在国际期刊《应用力学与工程中的计算机方法》上（DOI:10.1016/j.cma.2024.117428）。

IT之家查询公开资料获悉，今年 1 月全球上线的“本源悟空”，是目前我国先进的可编程、可交付超导量子计算机，已为来自全球 133 个国家超 1500 万人次提供量子云服务，完成 27 万个量子运算任务。

据官方介绍，该研究由陈昭昀副研究员及其团队主导，聚焦于解决在近期量子计算机上实现计算流体动力学仿真面临的量子噪声显著、比特资源不足等多个关键问题。

研究团队提出 Iterative-QLS 算法，基于最小 L2 范数原则有效抑制了量子噪声的影响。为了避免量子态层析过程的大量计算资源消耗，团队还创新性地提出一种稀疏层析方法，可高效提取量子信息从而保持算法整体优势。

成果在本源量子的“悟空”号超导计算机上对上述高效容错量子算法进行了验证并成功模拟了二维 Poiseuille 流动，计算结果与理论解的相对误差低于 0.2%，实现了在当前含噪量子计算机的流动高精度模拟。

针对当前量子计算机的计算资源十分有限，难以支撑实际流动问题模拟需求，研究团队在 Iterative-QLS 算法基础上进一步提出 Sub-QLS 算法，实现弹性地计算不同规模的 CFD 问题。

基于该算法，研究人员在“悟空”号超导量子计算机上模拟了网格规模为 41×41 非定常声波传播问题，求解的线性方程组维度高达 5043，成功展示了在超导量子计算机上进行大规模流体模拟的潜力。这也是迄今为止国际上采用量子计算的最大规模 CFD 案例。

论文给出了一套利用量子计算模拟实际 CFD 问题的综合性方法，使得在含噪的量子计算机上也能进行高精度、大规模的流动模拟。陈昭昀副研究员表示：“未来，我们有望在 NISQ (含噪中等规模量子) 阶段利用量子计算解决一些目前 CFD 由于算力不足而无法模拟的流动问题。进一步把握好量子计算的科学价值，挖掘其战略意义”。