Numerische Strömungsmechanik Wie nichtlineare CFD in die Quantenwelt gelangt

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Altair, ein Anbieter im Bereich Computational Intelligence, und Forschende der Technischen Universität München haben einen Durchbruch im Bereich des Quantencomputings für die numerische Strömungsmechanik (CFD) erzielt.

Die Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift Computer Physics Communications veröffentlicht wurde, stellt einen lauffähigen Code für Quantencomputer und Quantensimulatoren vor, der mehrere zentrale Herausforderungen der Quantencomputer-Implementierung der Lattice-Boltzmann-Methode überwindet.

Die Arbeit mit dem Titel „Quantum Algorithm for the Lattice-Boltzmann Method Advection-Diffusion Equation“ wurde im Rahmen eines Forschungsstipendiums von Altair entwickelt und von Forschern der Technischen Universität München vorangetrieben. Es ist ein signifikanter Beitrag zum Bereich des angewandten Quantencomputings und unterstreicht Altairs Engagement für bahnbrechende Technologien. Die Arbeit wurde von Christian Janssen, Vice President CFD Solutions bei Altair, und Uwe Schramm, ehemaliger Chief Technology Officer bei Altair, verfasst.

Potenzial des Quantencomputings für CFD

„Altair hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Grenzen der Simulationstechnologie immer weiter zu verschieben“, sagte Christian Janssen, Vice President of CFD Solutions bei Altair. „Unsere GPU-getriebenen CFD-Werkzeuge haben den Standard für Effizienz und Genauigkeit gesetzt. Jetzt erforschen wir das revolutionäre Potenzial des Quantencomputings, um noch komplexere Simulationen durchzuführen und so neue Möglichkeiten für Innovationen im Produktdesign und im Engineering zu eröffnen.

In der Forschung wird zum ersten Mal ein generischer Quanten-CFD-Algorithmus für dreidimensionales CFD vorgestellt. Der Algorithmus hat das Potenzial, vollständig nichtlineares dreidimensionales CFD in die Quantenwelt zu bringen. Dies ist ein Wendepunkt für die nächste Generation von CFD und simulationsbasiertem Design, da die Ergebnisse die enormen Möglichkeiten in Bezug auf Modellgröße und Skalierbarkeit aufzeigen, die Quantencomputer im Vergleich zu klassischen Computern bieten. Es unterstreicht auch, dass Quantencomputing nicht nur theoretisch ist, sondern ein praktisches Werkzeug zur Lösung von Problemen in der realen Welt werden wird. Es eröffnet neue Möglichkeiten in Bereichen, die traditionell von der klassischen Physik beherrscht werden, wie CFD, indem es die praktische Anwendung von Quantencomputing ermöglicht.

Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM)

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Algorithmus für Fluid Dynamics (CFD) mit Quantencomputing unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Die Kompatibilität der klassischen CFD mit der Quantenmechanik ermöglicht es den Nutzern, die überlegene Rechenleistung des Quantencomputers für Simulationen zu nutzen, die exponentiell schneller und potenziell genauer sind als klassische Berechnungen.

Aufgrund ihres Potenzials, die Rechengeschwindigkeit exponentiell zu erhöhen und komplexere Simulationen zu ermöglichen, könnte die Quanteninformatik erhebliche Auswirkungen auf die Produktentwicklung in vielen Branchen haben, insbesondere im Gesundheitswesen, im Finanzwesen und in den Naturwissenschaften.

„Dies ist sowohl für unser Team als auch für die Altair-Forscher eine wichtige Entdeckung, die das Potenzial hat, eine neue Dimension des Quantencomputings zu eröffnen“, sagt Nikolaus Adams, Professor und Lehrstuhlinhaber für Aerodynamik und Strömungsmechanik an der Technischen Universität München. „Wir haben die Bausteine für eine neue Generation von Quantencomputer-Algorithmen vorgestellt, die hoffentlich mehr praktische Quantencomputer-Anwendungen in der Industrie und in der Wissenschaft hervorbringen werden.“

Algorithmen für das Quantencomputing

Wie in einem ähnlichen Papier derselben Forschergruppe erörtert, werden die heutigen Algorithmen für das Quantencomputing durch den Entwurf von Quantenschaltungen entwickelt. Klassisches CFD ist nicht-unitär und nicht-linear, während Quantenformulierungen unitär und linear sind. Im Rahmen der Forschung wurde eine unitäre Transformation für die klassische CFD gefunden und ein maschineller Lernansatz für den nichtlinearen Aspekt entwickelt.

Zu den Autoren der Arbeit gehören neben Janssen und Schramm auch David Wawrzyniak, Josef Winter, Steffen Schmidt, Thomas Indinger und Nikolaus A. Adams von der Technischen Universität München. Alle Quantenberechnungen wurden am Leibniz-Rechenzentrum in der Nähe von München auf dem Atos QLM-System durchgeführt.

Herausforderung Quantenfehlerkorrektur

Diese Forschung ist die jüngste in einer Reihe von Entwicklungen, die durch die Investitionen von Altair in die Quanteninformatik angestoßen wurden. Altair hat auch in Riverlane investiert, ein Unternehmen, das sich darauf spezialisiert hat, Quantencomputer robuster und praktischer zu machen, indem es die Herausforderungen der Quantenfehlerkorrektur (QEC) löst. Riverlane mit Hauptsitz in Cambridge, Großbritannien, wurde 2016 gegründet und ist bekannt für Deltaflow, einen einzigartigen QEC-Stack, der Quantencomputern hilft, eine ausreichende Größe zu erreichen, um die ersten fehlerbereinigten Quantenanwendungen auszuführen.

Vollständiges Paper: „Quantum Algorithm for the Lattice-Boltzmann Method Advection-Diffusion Equation“. 

Mehr über die CFD Lösungen von Altair finden Sie hier. 

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