模拟空气和气体如何流过喷气发动机是工程中最具挑战性的计算问题之一。Rolls-Royce的工程师认为量子计算机可以显着推动这些计算。因此，他们与Nvidia合作，模拟了有史以来最大的计算流体动力学(CFD) 量子电路。

由于数十个风扇叶片以每秒数千转的速度旋转，气流以每小时数百公里的速度测量，因此对喷气涡轮机的内部工作原理进行建模非常复杂。但它对于设计更强大、更高效的发动机也至关重要，随着航空业试图减少其对气候的影响，这一点变得越来越重要。

Rolls-Royce 已经在其设计过程中广泛使用 CFD 模拟，但所需的大量计算资源意味着其工程师通常不得不在保真度或规模上做出妥协。不过，劳斯莱斯计算科学研究员Leigh Lapworth表示，量子计算机可以提供所需的加速。

“这为量子计算以及那些认为量子计算对他们毫无用处的行业开辟了一个广阔的新领域。”——Frank Gaitan，马里兰大学

今天的量子处理器仍然太小，无法模拟喷气发动机等复杂系统。但 Lapworth 表示，Rolls-Royce 仍然看到为 CFD 开发量子算法的价值，这就是他们与 Nvidia 和以色列量子软件公司Classiq合作的原因。上个月，两家公司宣布他们已经使用 Nvidia 基于 GPU 的量子模拟器来测试深度为 1000 万层的 39 量子位量子 CFD 电路。Lapworth 说，这是迄今为止最大的此类模拟，“开启了我们研究议程的下一步”。

“我们从以往的经验中了解到，让这些应用程序达到生产就绪标准所需的时间与硬件开发时间一样长，”他说。“我们需要进行算法开发和应用程序开发，这样当这些设备出现时，我们就可以准备好应用程序了。”

模拟量子电路涉及使用经典计算机来模拟量子处理器内部发生的所有量子相互作用。然而，所需的计算量随量子位的数量呈指数增长，因此量子计算机的经典计算机模拟只能在较小的规模上取得有意义的结果也就不足为奇了。

然而，Lapworth 说，这种较小规模的模拟仍然可以提供的见解在进一步设计和优化量子算法方面被证明是有价值的。

量子 CFD 如何运作?

Rolls-Royce 的量子 CFD 模拟方法基于HHL 算法，在给定足够的量子比特的情况下，该算法可以比经典方法以指数方式更快地解决线性代数问题。CFD 系统同时使用线性和非线性代数，因此解决方案实际上是一种混合方案，将问题的非线性部分留给经典硬件。

从理论上讲，这种方法应该会导致未来量子计算机的显着加速。但确保算法有效的唯一方法是运行它并将结果与经典 CFD 模拟器产生的结果进行比较，这对于今天的基本量子硬件来说是不可能的。“今天地球上还没有量子计算机可以运行那个电路，”Lapworth 说。

Lapworth 说，在经典硬件上模拟这些类型的量子算法肯定很棘手。他说，虽然它们可以解决经典计算机难以处理的大量计算挑战，但量子计算机的复杂性意味着它们在处理较小的问题时也可能运行得慢得多。这就是 Nvidia 的用武之地。Lapworth 说，通过使用Nvidia 的 A100 GPU加速他们的模拟，该团队现在已经成功地以足够大的规模运行电路，以便与喷气发动机及其工作部件的实验数据进行有意义的比较。

马里兰大学的研究物理学家Frank Gaitan说，Rolls-Royce 采取的方法是有道理的，因为它使用了与现有 CFD 模拟算法类似的策略。它只涉及将经典线性方程求解器换成量子方程求解器。但他指出 HHL 算法确实有局限性，因为除非输入满足一些相当严格的约束，否则指数加速可能会丢失。他的团队为 CFD 设计了一种不同的量子算法，该算法只能实现二次加速，并且只能处理以湍流为特征的问题，但它可以处理线性和非线性计算，而且要简单得多，他说。

尽管如此，他认为这项研究表明人们正在认识到量子计算机的应用可能比最初设想的要多得多。“在开展这项工作之前，我认为大多数人认为量子计算机是用于整数因式分解、搜索数据库之类的东西，”他说。“这为量子计算以及那些认为量子计算对他们毫无用处的行业开辟了一个广阔的新领域。”

Rolls-Royce 也不是唯一一家对量子计算在 CFD 应用中的潜力感兴趣的公司。总部位于宾夕法尼亚州的模拟软件供应商Ansys的发言人表示，该公司正在研究加速 CFD 和其他物理模拟的量子方法。德国供应商SimScale的首席执行官David Heiny也表示，他们正在关注这项技术。“一般来说，CFD 和模拟的量子方法是 SimScale 感兴趣并密切关注的东西，”他说。