基于量子格子玻尔兹曼方法的湍流模拟
湍流直接数值模拟涉及强烈的非线性多尺度相互作用，通常需要海量计算资源。尽管量子计算在加速流体等经典物理系统的科学计算方面已显露出巨大潜力，但其线性运算的本质与流体力学的强非线性之间存在亟待解决的矛盾。
针对这一瓶颈，bob登陆网站 力学与工程科学学院杨越课题组提出了一类新型的量子格子玻尔兹曼方法（QLBM），为在量子计算框架下模拟湍流等非线性动力学问题提供了可行方案。该方法的核心创新在于引入网格点层面的统计系综描述，将非线性的流体动力学系统，转换至多项式级升维空间内的线性格子气系统。这一转换融合了传统格子玻尔兹曼方法在建模上的高效性与格子气自动机在粒子碰撞操作上的线性特质，从而与量子硬件的运算特性更好兼容。
不同层次的格子气系综描述
基于格点系综QLBM框架下的流动演化完全由线性运算描述。为解决不同维度系综转换时引发的系统自由度不一致问题，研究团队引入了H函数修正步机制，能够在量子比特层面上通过解纠缠操作，在经典层面等效于维持格子气系统接近平衡态分布，保障了格子气系统对流体现象描述的物理合理性。该线性算法理论上可在量子计算机上运行完整流程，无需经典计算机辅助或频繁的量子态测量，为未来探索大规模流动模拟的量子加速潜力提供了条件。
研究团队利用该QLBM方法，首次实现了涡对融合与衰减湍流等强非线性流体动力学问题的量子模拟。该模拟在最高1680万网格点上完成，是目前规模最大的流体力学量子计算算例。QLBM的模拟结果与经典直接数值模拟结果吻合良好，能够预测涡相互作用与湍流能量级串等关键非线性机制。该研究为探索量子计算应对强非线性动力学问题提供了新思路，并可望推动发展工程领域中各类非线性问题的量子算法。
二维衰减湍流QLBM模拟算例验证
相关工作发表于量子信息专业期刊npj Quantum Information。力学与工程科学学院博士生王博源为论文第一作者，杨越教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发项目、科学探索奖等资助。