量子计算赋能流体仿真！“本源量禹”发布

企业动态本源量子 2021-11-03 09:14

近日，本源量子正式发布国内第一款量子计算流体力学仿真软件“本源量禹”（OriginQ QCFD），该软件基于量子有限体积法，原理上能实现对CFD仿真计算的亚线性加速。未来，在航空航天、热能动力、环境工程等领域，该软件可以进行更高效的数值仿真实验。

目前该软件已上线到本源量子云计算平台，供大家下载使用~ https://qcloud.originqc.com.cn/QCFD

计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD)是流体力学、数学和计算机科学多学科相融合的交叉学科，借由计算机的强大计算能力和离散化数学方法，数值求解流场信息，目前在航空航天、海洋工程、能源工程等领域得到了广泛应用，很大程度上降低了试验成本，加快了工业设计流程。然而，传统计算机在面对一些对计算精度要求苛刻、网格量巨大的情况时，也会感到“力不从心”，这严重阻碍了工业设计的效率。

近年来，随着量子计算的发展，研究人员开始逐步探索使用计算能力强大的量子计算机求解流体力学问题的可能性。在2019年，Airbus就举办了量子计算全球挑战赛，本源量子有幸被邀请参赛并获得量子计算流体动力项目单项冠军。今年2月，本源量子与中科大联合研究团队提出可支持经典数据输入和输出的量子有限体积法，可将经典算法的线性复杂度降低到亚线性，这预示着量子计算与流体力学的交叉研究正从理论层面逐步走向现实。（该成果已公开在arXiv:https://arxiv.org/pdf/2102.03557.pdf）

传统CFD的主要离散方法有：有限差分、有限元以及有限体积法等。其中有限体积法由于其良好的守恒性和网格适应性，常用于商业软件及开源软件中。但在上述方法中，往往避免不了由于网格数增加带来的计算资源和计算时间的大幅消耗。本源量子与中科大联合研究团队在今年2月提出的可支持经典数据输入和输出的量子有限体积法就是为了解决上述问题，该方法运用量子线性求解器作为子过程，并结合自主设计的量子随机存储器（ QRAM ）和量子数据结构，将经典算法的线性复杂度降低到亚线性。“本源量禹”正是基于此被开发出来。

本源量禹使用量子线性求解器代替了传统的求解器，基于量子虚拟机运行（未来可直接对接真实量子计算机），从理论上可以实现对CFD仿真计算的亚线性加速。量子线性求解器包括HHL和FOM-HHL算法，为降低系数矩阵的条件数加速计算速度，提供了包括静态稀疏近似逆等多种预处理器；本源量禹适用于不可压缩流动和可压缩流动的求解，定常和非定常流动的求解。

（1）四大功能

量子线性求解器；多种预处理器；可压缩、不可压缩流动；定常流动、非定常流动。

（2）量子计算优势

经典线性求解器（共轭梯度法）的算法复杂度与矩阵维度N成正比，然而量子算法（HHL）的时间复杂度与矩阵维度N的对数成正比。因此当矩阵维度较大时，量子算法的加速效果才真正显现。下图是经典的共轭梯度法（CG）和量子HHL算法时间复杂度对比。

本源量禹是一款利用量子计算对流动问题进行仿真的软件，目前本源量禹能够对单相流的无粘、层流进行数值仿真。软件流程主要分为三大部分：前处理，计算和后处理。

计算前处理模块包含数据导入导出功能，以及简单结构网格生成、网格检查等功能。

计算设置模块主要包含物理模型选择、数值方法、控制参数设置功能等。

计算后处理虽然目前仅支持展示计算结果的标量云图，但是本源量禹支持导出其他数据格式文件如vtk格式，方便用户利用其他后处理软件进行相关操作。

软件的具体操作流程可以通过点击链接阅读用户手册~

应用示例

圆柱绕流作为经典的流体力学问题，有着丰富的实验结果，常用于验证计算方法和模型的有效性；此外，研究圆柱绕流的研究对航空领域和海洋工程也具有非常重要的实际意义。

在同样的网格和配置参数下，我们分别采用了经典求解器和量子求解器对半圆柱的绕流问题进行了计算；为便于分析对比，将两者的计算结果云图对称放置，上半部分和下半部分分别对应着量子求解器和经典求解器的计算结果。