[发明专利]基于量子算法的计算流体动力学模拟方法、装置及设备

说明书

本申请实施例提供了基于量子算法的计算流体动力学模拟方法、装置及设备，量子计算的固有特征是量子并行性。在希尔伯特空间中，量子比特的量子态是一个向量，每个作用在量子比特上的量子逻辑门操作都是在希尔伯特空间中的量子态变换。如果将对一个实际问题的描述编码为一组量子比特的量子状态向量，则可以通过执行操作来改变向量实现问题的求解，而无需迭代每个量子比特的状态。例如，如果将矩阵和向量相乘，不再需要for循环，仅需要量子逻辑门操作作用于输入的量子态上即可。本申请实施例中，实现了利用量子计算实现CFD模拟，利用量子计算，相对于经典算法有指数级的加速，从而能够降低CFD的复杂度，增加CFD的实用性。

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，特别是涉及基于量子算法的计算流体动力学模拟方法、装置及设备。

背景技术

CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。CFD是模拟飞机气动设计的一个基本工具，从中可以获得飞机周围的流动特性和作用于飞机表面的气动力。这些计算在计算上是昂贵的，这使得寻求高效的CFD算法成为研究人员永远没有解决的问题。

现有技术中，在通过计算流体动力学模拟流体运动的过程中，针对隐式方案是无条件稳定的，需要求解线性系统其中是一个系数矩阵，在计算过程中必须求逆。对该矩阵求逆的计算非常复杂，并且需要采用迭代方法。该系数矩阵的维数跟网格节点成线性关系，当网格节点规模很大时，使用例如，Jacobi(雅可比)方法，LU方法或GMRES(广义最小残差法)等经典的算法，实现该系数矩阵的求解将非常的困难。

量子计算的固有特征是量子并行性。在希尔伯特空间(复线性空间)中，N量子比特的量子态是一个向量，每个量子操作都是在此线性空间中的变换。如果将对一个实际问题的描述编码为一组量子比特的量子状态向量，则可以通过并行执行一个操作来处理向量实现问题的求解，而无需迭代一组量子比特中每个量子比特的状态。例如，如果将矩阵和向量相乘，不再需要for循环，仅需要几个量子门作用于输入的量子态上即可。因此量子计算的并行性可以大大增加CFD的计算速度。所以希望利用量子计算实现CFD模拟。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于量子算法的计算流体动力学模拟方法、装置及设备，以实现利用量子计算实现CFD模拟。具体技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种基于量子算法的计算流体动力学模拟方法，所述方法包括：

在利用有限体积法解析计算流体动力学的过程中，针对流体运动的离散化数值网格中各网格单元，构建表示所述网格单元坐标信息的第一量子线路、表示所述网格单元的状态参数的第二量子线路，其中，所述网格单元的状态参数存储在量子随机存取存储器中，所述量子随机存取存储器可操作处于量子叠加态的地址和数据；

基于所述第一量子线路、所述第二量子线路、所述量子随机存取存储器构建表示所述网格单元流体状态变化的线性系统方程的参数的第三量子线路；

针对所有的网格单元，基于所述第三量子线路求解所述网格单元的线性系统方程，当所述网格单元的流体状态趋于稳定时，获得所述网格单元线性系统方程的状态参数表示的流体状态作为所述网格单元的目标状态。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于量子算法的计算流体动力学模拟装置，所述装置包括：

网格量子线路构建模块，用于在利用有限体积法解析计算流体动力学的过程中，针对流体运动的离散化数值网格中各网格单元，构建表示所述网格单元坐标信息的第一量子线路、表示所述网格单元的状态参数的第二量子线路，其中，所述网格单元的状态参数存储在量子随机存取存储器中，所述量子随机存取存储器可操作处于量子叠加态的地址和数据；