Miten kvanttilaskenta voisi mullistaa lentokoneiden aerodynamiikan simuloinnit

Superposition avulla on mahdollista olla olemassa yhdistelmä sekä 0 ja 1 osavaltiot samanaikaisesti. Sen sijaan, että törmäys kahden tietyn tilan välillä, qubit omistaa todennäköisyysjakauman on mitattu joko. Kun useita qubits on sotkeutunut, tila yhden välittömästi vaikuttaa toisen tilaan, välimatkasta riippumatta. Tämä mahdollistaa kvanttitietokoneet tutkia laaja ratkaisu välilyöntejä rinnakkain, kyky mahdotonta jopa tehokkain klassinen supertietokoneita tiettyjen ongelmaluokkien.

Kvanttitietokoneet eivät kuitenkaan ole vain nopeampia klassisia koneita. Ne ovat erinomaisia tietyissä laskentatehtävissä.Niiden kaltaiset factoring suuria lukuja, simulointi kvanttijärjestelmiä ja optimointi monimutkaisia järjestelmiä. Ohjelmointi kvanttitietokone vaatii eri ajattelutavan: algoritmit on suunniteltava hyödyntämään superpositiota ja sotkeutumista saavuttaa [ kvanttiedun verrattuna klassiseen menetelmiä.

Aerodynamiikan simuloinnin nykyiset haasteet

Aerodynamics on säännelty [Navier-Stokes yhtälöt[, joukko osittainen DIFFERENTIAL EQUATIONS, joka kuvaa liike viskoosi nesteitä. Solving nämä yhtälöt realistinen ilma-alusten geometries liittyy diskretising fyysinen tila miljooniin tai miljardeihin soluihin ja iteratiivisesti laskentapaine, nopeus, ja turbulenssi kussakin vaiheessa. Tämä prosessi, joka tunnetaan [ comprutational nestedynamiikka (CFD)[, on yksi vaativimmista työmäärää tekniikka.

Vaikka nykyajan supertietokoneet, korkean uskollisuuden CFD simulaatiot ...erityisesti ne, joihin liittyy myrskyvirtaa tai monimutkaisia vuorovaikutusta kuten siipien vortices voi kestää päiviä tai viikkoja loppuun. Lentokoneiden suunnittelun työntää rajoja epätavanomaisilla muodoilla, aktiivinen virtauksen ohjaus, ja uusia materiaaleja, tarve [ korkeampi resoluutio[] ja ] nopeampi kierros[] kasvaa. Tuulitunneli testaus on edelleen kriittinen, mutta se on kallista ja rajoitettua skaalaamalla vaikutuksia. Aeroavaruusinsinöörit ovat siis kääntymässä numeerisen simuloinnin täydentää ja vähentää fyysistä testausta.

Primaari pullonkaula ei ole laitteiston nopeus, vaan algoritminen monimutkaisuus. Navier-Stokes yhtälöt ovat epälineaarisia, ja myrskyiset virrat ulottuvat monenlaisia tila- ja aikavaaka. Tarkka ratkaisu nämä asteikot klassisia tietokoneita vaatii valtava muisti ja laskea voimaa, kutevat jatkuva asekilpailu simulaatiotarpeiden ja käytettävissä olevien resurssien välillä.

Miten kvanttilaskenta voisi ylittää nämä esteet

Quantum tietokoneet tarjoavat pohjimmiltaan erilainen lähestymistapa ratkaista Navier-Stokes yhtälöt ja niihin liittyvät nestedynamiikka ongelmia. Varhaisessa tutkimuksessa keskitytään kehittämiseen [kvantum algoritmeja lineaarisia järjestelmiä yhtälöt[ (kuten HHL algoritmi) ja ratkaista osittaisia DIFFERENTIAL EQUATIONS käyttäen tekniikoita, kuten quantum finite-difference menetelmiä ja kvantti lattice Boltzmann menetelmiä.

Esimerkiksi kvantum lineaariset järjestelmät algoritmi (QLSA)[] voi ratkaista harvat lineaariset järjestelmät eksponentiaalisesti nopeammin kuin klassiset algoritmit tietyissä olosuhteissa. Koska monet CFD ratkaisijat lopulta vähentää ratkaista suuria lineaarisia järjestelmiä joka kerta, QLSA voisi dramaattisesti nopeuttaa simulaatioita. Lisäksi, kvanttitietokoneet voivat tehokkaasti simuloida myrskyisiä virtoja suoraan edustaa probabilistinen luonne turbulenssi. Jotain klassinen Monte Carlo menetelmiä tehdä suuria laskentakustannuksia.

Toinen lupaava tie on quantum annealing[, jota yritykset kuten D-Wave käyttää optimointiin ongelmia. Lentokoneen muodon optimointi, reittisuunnittelu, ja rakennesuunnittelu usein edellyttää löytää minimit monimutkaisia energiamaisemia. Kvanttiannelaajat voivat tutkia näitä maisemia tehokkaammin kuin klassinen heuristics, mahdollisesti vähentää suunnittelu sykli kertaa viikosta tuntiin.

Tutkijoiden tutkimus IBM Quantum ja Airbus tutkivat käyttäen variaatio-kvanttialgoritmia simuloidakseen hidasnopeuksisia ilmapalloaerodynamiikkaa. Tulokset osoittivat, että kvanttitietokoneet voisivat vastata klassisen CFD-tarkkuuden yksinkertaistettuja 2D-geometrioita, joissa on vähemmän laskentaresursseja.

Ilmailutekniikan hyödyt

Nopeampi suunnittelusyklit

Simulaatioaikojen lyhentäminen päivistä minuutteihin mahdollistaisi insinöörien iteroida satoja suunnitteluvariaatioita samaan aikaan kuin aiemmin kesti ajaa yksi. Tämä ketteryys nopeuttaa [design-building-testisykliä[, erityisesti alustavissa suunnitteluvaiheissa, joissa arvioidaan monia käsitteitä.

Parannettu tarkkuus

Klassinen CFD perustuu turbulenssimalleihin[ (kuten K-ε tai LES), jotka likimääräisesti selvittämättömät vaakat. Kvanttisimulaatiot voisivat ratkaista nämä vaakat suoraan, mikä johtaisi tarkempiin ennusteisiin vetämisestä, nostamisesta ja melusta. Tarkemmat simulaatiot vähentävät tarvetta myöhempiin tuulitunnelikorjauksiin ja parantaa luottamusta lentoturvallisuuteen.

Kustannussäästöt

Yksi suurimittainen tuulitunnelitestikampanja voi maksaa miljoonia dollareita. Suorittamalla kvanttitietokoneiden korkeauskoisuussimulaatioita yritykset voivat siirtää enemmän validointityötä tietokoneelle, mikä vähentää fyysisiä prototyyppien kustannuksia. Jopa kvanttilaskenta-aika, joka on tällä hetkellä kallista, vähenee nopeasti laitteiston kypsyessä.

Innovatiiviset mallit

Kun simulointi on halpa ja nopea, insinöörit voivat tutkia ei-perinteisiä muotoja.[]-siiven rungot[[], [-morfointipinnat[] tai [[]-vortex-generaattorin kuvioita[[]]. että klassiset ratkaisijat kamppailevat analysoidakseen riittävästi. Kvanttikiihdytetty optimointi voisi löytää drag-pelkistäviä kokoonpanoja, joita ei koskaan löydettäisi lisäparannnuksen kautta.

Ympäristövaikutusten vähentäminen

Parempi aerodynamiikka johtaa suoraan polttoaineen kulutuksen vähenemiseen ja päästöjen vähenemiseen. Kvanttilaskenta voisi olla keskeinen tekijä kestävien lentokoneiden suunnittelussa, mukaan lukien sähkö- ja vetykäyttöiset konseptit, joissa virtausfysiikka on vielä haastavampaa.

Kvanttilaskennan nykytila ilmailuavaruudessa

Teollisuus ja valtion tutkimus on jo käynnissä. NASA.s Quantum Computing Research[] sisältää yhteistyötä Honeywellin ja Googlen kanssa kvanttialgoritmien testaamiseksi siipisuunnittelua ja lentoaikataulua varten. Yhdysvaltain energiaministeriön kansalliset laboratoriot tutkivat kvanttimenetelmiä myrskyisien virtaussimulaatioiden tekemiseksi. Eurooppalaisella lentokonevalmistajalla Airbusilla on omistettu Quantum Computing Lab, joka keskittyy kombinatoriaalien optimointiin ja CFD:n optimointiin.

Kuitenkin, tänään kvanttitietokoneet ovat edelleen Metelinen keskiraskas kvantti (NISQ)[] aikakaudella. Ne ovat rajalliset qubit lukemat (50...1000 kvanttitietokonetta) ja kärsivät korkeista virhetasoista ja lyhyistä johdonmukaisuuden ajoista. Quantum virhekorjaus, vika-toleranssijärjestelmät ja skaalautuminen satoihin tuhansiin loogisiin kvanttibitteihin ovat todennäköisesti vuosikymmenen päässä. Edistys on kuitenkin vakaata: portti uskomukset paranevat vuosittain, ja yritykset kuten D-Wave[ ja IonQ tarjoavat nyt pilvipalveluja kvanttiprosessoreille ongelma-kokoisiin kokeiluihin.

. ... Uskomme, että seuraavien viiden tai kymmenen vuoden aikana, kvanttilaskenta alkaa tuottaa todellista arvoa ilmailu-simulaatioiden, alkaen optimointi ongelmia ja vähitellen siirtyä täysi CFD.... Dr. Sarah Muller, johtaja Quantum sovellukset Airbus (vastalauseita teollisuuden esityksiä)

Haasteet

Lupauksesta huolimatta on vielä useita esteitä, ennen kuin kvanttitietokoneista tulee käytännön työkaluja lentokoneiden suunnitteluun:

• Kilpiohjelmien skaalattavuus:[ Nykyiset qubit määrät ovat paljon pienempiä kuin mitä tarvitaan mielekkäisiin 3D-aerodynamiikan simulaatioihin. Useimmat asiantuntijat arvioivat, että tarvitaan miljoonia fyysisiä qubittejä virhekorjauksella.
• Error Korjaus:[ Quantum-tilat ovat erittäin hauraita. Ilman vikaa sietävää virhekorjausta simulaatiot menettävät tarkkuuden nopeasti. Tehokkaat virhekorjauskoodit lisäävät suuria ylärajoja viivyttäen käytännön käyttöä.
• Algoritmin kehitys:[] Useimmat kvantti-CFD-algoritmit on testattu vain 1D- tai yksinkertaisissa 2D-tapauksissa. Niiden muuntaminen realistiseksi ilma-aluksen geometriaksi ja myrskyiset virrat edellyttävät uusia matemaattisia formulaatteja.
• Integraatio klassisiin työnkulkuihin:[ Kvanttitietokoneet eivät korvaa klassisia tietokoneita kokonaan. Hybridialgoritmit, joissa yhdistyvät klassinen esikäsittely ja kvanttiratkaisu, tarvitsevat saumattomat ohjelmistoliitännät ja pilviinfrastruktuurin.
• Työvoima ja koulutus:[ Insinöörien puute sekä ilmailu- että kvanttilaskentaan kouluttautumisessa hidastaa adoptiota. Yliopistot ovat vasta alkaneet tarjota yhteisiä opetussuunnitelmia.

Tulevaisuuden näkymät

Kvanttilaskenta ei ole taikaluoti, mutta se on muuntava teknologia, joka ei korvaa klassista simulaatiota. Todennäköisin polku eteenpäin on [hybridilaskenta[[]: klassiset supertietokoneet käsittelevät suurinta osaa datan tallennuksesta ja lineaarisesta algebrasta, kun taas kvanttikiihdyttimet käsittelevät vaikeimpia ala-ongelmia, kuten tiheän lineaarisen järjestelmän ratkaisemista tai maailmanlaajuisten optimointien suorittamista.

Odotetaan seuraavan vuosikymmenen aikana seuraavaa:

• Kvanttitehostettu optimointi[] siipien ja moottorin sijoittamista alustavassa suunnittelussa.
• ]Nopeat lentoakustiset simulaatiot [ melun vähentämiseksi kaupunkiliikenteen ajoneuvoissa.
• Reaaliaikainen aerodynaaminen palaute lennonohjausjärjestelmissä käyttäen likimääräisiä kvanttiratkaisijoita.
• Integrointi digitaalisiin kaksosiin lentokalustosta ennakoivaa huoltoa ja suorituskyvyn seurantaa varten.

Aerobisen teollisuuden investoinnit ovat jo suuria. [Quantum Economic Development Consortium (QED-C)[], jota tukevat suuret valmistajat, on asetettu standardeja ja vertailuarvoja. Hallitukset rahoittavat kansallisia kvanttialoitteita, kuten Yhdysvaltain kansallinen Quantum-aloite ja Euroopan Quantum Flagship, ja niiden ensisijaisena tavoitteena on ilmailu- ja avaruussovellukset.

Yhteenvetona, kvanttilaskenta lupaa mullistaa lentokoneiden aerodynaamisia simulaatioita, mutta se on matkan tasaisen edistyksen eikä äkillinen läpimurto. Insinöörit, jotka alkavat tutkia kvanttialgoritmit tänään on parasta sijoittaa valjastaa sen voimaa, kun vika-tolerantti koneet saapuvat. Lopullinen voitto on turvallisempi, tehokkaampi ja vihreämpi lento on hyvin odottaa.