Hiểu tính toán lượng tử

Máy tính lượng tử đại diện một sự thay đổi cơ bản trong cách xử lý thông tin. Trong khi máy tính cổ điển mã hóa dữ liệu như bit-binary zeros hoặc một - máy bậc hai dùng bit lượng tử, hoặc [FLT: 0] [FLT:] [FLT:] [FLT: 1], mà điều khiển các nguyên tắc cơ học lượng tử. Hai tính chất then chốt cho biết sức mạnh [FL: 2] là [FL: 2] và [FL:] [FL: hình chữ hoa] [FT] [FT] [FT].T].

Quá trình xác định cho phép một qubit tồn tại cùng một lúc trong sự kết hợp của cả 0 và 1 trạng thái. Thay vì bật lên giữa hai trạng thái xác định, một qubit chứa một sự phân phối xác suất được đo bằng cả hai. Khi đa số qubit bị mắc kẹt, trạng thái của một trạng thái của một trạng thái khác, bất kể khoảng cách. Điều này cho phép máy tính lượng tử khám phá khoảng cách rộng lớn song song với nhau, khả năng cao nhất cho ngay cả các siêu siêu siêu siêu siêu máy tính cổ điển mạnh nhất đối với hạng vấn đề nhất.

Tuy nhiên, máy tính lượng tử không đơn thuần là máy cổ điển nhanh hơn. Chúng xuất sắc trong các công việc tính cụ thể - giống như tính toán số lượng lớn, mô phỏng hệ thống lượng tử, và tối ưu hóa hệ thống phức tạp [FL: 1] hơn phương pháp cổ điển [FL: 1].

Những thử thách hiện nay trong việc mô phỏng động lực học hàng không

Aerocyions được điều khiển bởi Namet-Sokes phương trình ), một tập hợp các phương trình vi phân một phần miêu tả chuyển động của chất lỏng vscous. Giải quyết các phương trình này cho máy bay địa lý bao gồm việc phân loại không gian vật lý thành hàng triệu hoặc hàng tỉ tế bào và áp lực tính toán, vận tốc và sự nhiễu loạn tại mỗi điểm. Quá trình này được gọi là [FL: 2] dung dịch dịch dịch dịch dịch gây tác động (CD) [FD] [FT: 1, 1, 1 hàng tỷ], theo yêu cầu trong các công việc kỹ thuật.

Ngay cả với siêu máy tính hiện đại, mô phỏng CFD cao cấp đặc biệt là những người có sự tương tác nhiễu hoặc phức tạp như va chạm cánh (FL:1) và [FT: 2] quay [FL:] vòng [FL:]. Việc thử nghiệm đường hầm gió vẫn còn hiệu lực, nhưng hiệu ứng hạn chế và hạn chế bởi các kỹ sư không gian đang chuyển sang mô phỏng và giảm bớt các ứng dụng.

Hệ thống cổ chai chính không phải là duy nhất phần cứng, mà là sự phức tạp thuật toán. phương trình Navier-Stokes không tuyến tính, và dòng chảy gây ra sự hỗn loạn ở phạm vi rộng lớn của các thang không gian và thời gian. Chính xác giải quyết các vảy đó với máy tính cổ điển cần bộ nhớ và sức mạnh tính toán, tạo ra một cuộc đua vũ khí liên tục giữa các nhu cầu mô phỏng và nguồn lực sẵn có.

Làm thế nào việc tính lượng tử có thể vượt qua những chướng ngại vật này

Máy tính lượng tử cung cấp một phương pháp khác cơ bản để giải phương trình Navier-Stokes và các vấn đề động lực học liên quan. Các nghiên cứu đầu tiên tập trung vào phát triển [FLT: 0] các thuật toán lớp học cho hệ thống tuyến tính (như thuật toán HHL) và giải các phương trình vi phân bằng các phương pháp như phương pháp có hạn lượng tử và phương pháp điều khiển lượng tử của Boltzmann.

Chẳng hạn, thuật toán hệ thống tuyến tính [FLT: 0] [FLT: 0] [QLSA] [QLT:1) [FLT: 1) có thể giải quyết nhanh hơn các thuật toán cổ điển theo cấp số nhân với điều kiện nào đó. Vì nhiều máy giải quyết kiểu CFD cuối cùng giảm để giải quyết hệ thống tuyến tính lớn mỗi bước, QLSA có thể tăng tốc độ mô phỏng nhanh chóng. Hơn nữa, máy tính lượng tử có thể mô phỏng hiệu quả các luồng điện tử bằng cách trực tiếp biểu diễn các tính năng nhiễu loạn của sự nhiễu loạn (một cách nào đó Monte Carlo cổ điển dùng giá trị điện toán cao.

Một cách khác đầy hứa hẹn là quantum annealing , được các công ty như D-Wave sử dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa. Hình dạng máy bay tối ưu hóa, kế hoạch đường, và thiết kế cấu trúc thường bao gồm việc tìm kiếm ma nhỏ trong các phong cảnh năng lượng phức tạp. Các nhà khảo sát có thể khám phá các phong cảnh này hiệu quả hơn các nhà thám hiểm cổ điển, có khả năng giảm chu kỳ thiết kế tuần lễ.

Một nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại lượng tử IBM và Airbus đã khám phá bằng cách sử dụng một thuật toán lượng tử biến thể để mô phỏng khí động lực học thấp. Kết quả của chúng, trong khi sơ bộ, cho thấy rằng máy tính lượng tử có thể tương ứng chính xác với các CFD cổ điển trên các mã số 2D với ít tài nguyên máy tính có khả năng tăng tới 3D trong tương lai gần.

Lợi ích cho kỹ thuật không gian

Name

Sự mô phỏng ngắn dần từng ngày, mỗi phút sẽ cho phép các kỹ sư lặp lại hàng trăm biến thể trong cùng thời gian thiết kế, mà trước đó nó đã mất để chạy một. Tính năng nhanh chóng này tăng tốc [FLT: 0] chu kỳ thử nghiệm [FLT: 1), nhất là trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nơi mà nhiều khái niệm được đánh giá.

Độ chính xác tăng cao

Mô phỏng dạng CFD cổ điển phụ thuộc vào mô hình ) ) (như k- LES) có tỷ lệ không được giải quyết. Mô phỏng lượng tử có thể giải quyết trực tiếp các vảy này, dẫn đến những dự đoán chính xác hơn về kéo, nâng và nhiễu. Mô phỏng chính xác hơn giảm bớt sự cần thiết sửa chữa đường hầm sau này và tăng sự tự tin về độ an toàn bay.

Tiết kiệm chi phí

Một chiến dịch thử nghiệm gió quy mô lớn có thể tốn hàng triệu đô la. bằng cách thực hiện những mô phỏng độ trung bình cao trên máy tính lượng tử, các công ty có thể chuyển công việc hợp lệ hơn sang máy tính, cắt giảm chi phí nguyên mẫu vật lý. thậm chí thời gian điện toán lượng tử, hiện đang được dự kiến sẽ giảm nhanh chóng khi phần cứng trưởng thành.

Thiết kế phát triển

Khi mô phỏng rẻ và nhanh, các kỹ sư có thể khám phá bề mặt không phải là hình dạng thường gặp (như các hình cánh [FLT: 1], ), ), có thể tìm thấy cấu hình kéo không bao giờ được phát hiện qua sự cải thiện.

Ảnh hưởng môi trường giảm

Động lực học tốt hơn trực tiếp dịch trực tiếp để giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm khí thải đối mặt với các mục tiêu carbon, máy tính lượng tử có thể là một chìa khóa cho phép thiết kế máy bay bền vững, bao gồm cả các khái niệm điện và năng lượng hydro nơi vật lý dòng chảy thậm chí khó khăn hơn.

Trạng thái tính lượng tử hiện tại trong không gian hàng không

Công nghệ và nghiên cứu chính phủ đang tiến hành. Cơ quan nghiên cứu của NASA Phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia (FLT:1) bao gồm sự hợp tác với Honeywell và Google để kiểm tra các thuật toán lượng tử để thiết kế cánh và bay. Bộ nghiên cứu kỹ thuật điện tử (FLT: 0) đang tìm kiếm các phương pháp mô phỏng dòng chảy [FLT: 1]. Nhà sản xuất máy bay Châu Âu có một chương trình [FT:2] riêng [FL] Phòng thí nghiệm [FL: 3, tập trung vào vertim và CD].

Tuy nhiên, máy tính lượng tử ngày nay vẫn còn trong thời đại Noisy Intermediate-Scate-SQ . Họ đã hạn chế số lần (50–000 bit) và bị lỗi thời gian ngắn. Lỗi lượng tử, lỗi tăng trưởng hệ thống, và tăng lên đến hàng trăm ngàn Hbit có khả năng cách xa một thập kỷ. Tuy nhiên, tiến bộ không ổn định: fdelities seconditiess: ades seconds, và [L: TW2] [Fve] và IWED: TLG] cho phép phép phép các thí nghiệm về lượng tử.

“ Chúng tôi tin rằng trong vòng 5 đến 10 năm tới, máy tính lượng tử sẽ bắt đầu mang lại giá trị thật cho các mô phỏng không gian vũ trụ, bắt đầu với các vấn đề tối ưu hóa và dần dần chuyển sang CFD. — Tiến sĩ Sarah Muller, trưởng bộ phận lượng tử ở Airbus (hình ảnh ngôn ngữ ngôn ngữ của ngành công nghiệp).

Những thử thách sắp đến

Mặc dù đã hứa, nhưng vẫn còn nhiều chướng ngại vật trước khi máy tính lượng tử trở thành công cụ thiết kế máy bay:

  • Khả năng cấu hình Hrdware:) Số lượng thông tin hiện tại là thấp hơn rất nhiều so với những gì cần thiết cho mô phỏng động lực học 3D có ý nghĩa. Phần lớn các chuyên gia ước tính rằng hàng triệu Hbit vật lý với lỗi sửa lỗi - sẽ cần thiết.
  • Sửa chữa: Các trạng thái lượng tử cực kỳ mong manh. Không có lỗi sửa chữa lỗi không chịu được, mô phỏng mất độ chính xác nhanh chóng. Lỗi thời sửa đổi mã tính năng thêm lớn trên đầu, trì hoãn sử dụng thực tế.
  • Phát triển Algorithm:) Hầu hết các thuật toán lượng tử chỉ được thử nghiệm trên 1D hoặc 2D đơn giản. Truyền chúng sang các máy bay địa lý và các dòng chảy hỗn loạn đòi hỏi các cấu hình toán học mới.
  • Sự kết hợp với dòng làm việc cổ điển: máy tính lượng tử sẽ không hoàn toàn thay thế những thuật toán cổ điển kết hợp các thuật toán đã được tổng hợp với giải quyết trước khi lượng tử cần thiết giao diện phần mềm và cơ sở hạ tầng mây.
  • Công ty và Giáo dục:) thiếu các kỹ sư được đào tạo trong cả không gian và máy tính chậm chấp nhận. Các tính năng mới chỉ bắt đầu cung cấp cubricula khớp.

Tương lai nhìn ra

Máy tính lượng tử không phải là một viên đạn ma thuật, nhưng nó là một công nghệ chuyển hóa mà sẽ tăng cường - không thay thế -- giai cấp mô phỏng. Đường đi tiến về phía trước là [FLT: 0] máy tính [FLT: 1] [FLT:]: siêu máy tính cổ điển quản lý phần lớn dữ liệu lưu trữ và đại số tuyến tính, trong khi máy gia tốc lượng tử xử lý các hệ thống phức tạp nhất, như giải quyết hệ thống tuyến tính dày đặc hoặc thực hiện tối ưu toàn cầu hóa.

Trong vòng một thập kỷ tới, mong đợi sẽ thấy:

  • Tối ưu hóa ) cho cánh và vị trí động cơ trong thiết kế sơ bộ.
  • Mô phỏng không gian ) để giảm tiếng ồn trong phương tiện di chuyển không khí đô thị.
  • Phản hồi thời gian khí động học trong hệ thống điều khiển bay sử dụng gần như giải quyết lượng tử.
  • Sự kết hợp với cặp song sinh số ) của các hạm đội máy bay để bảo trì và giám sát hiệu suất dự đoán.

Ngành công nghiệp không gian đã đầu tư rất nhiều. Quantum TLTM TLTCCCQT [QEDC] , được các nhà sản xuất chính xác ủng hộ, là thiết lập tiêu chuẩn và dấu chấm.

Tóm lại, máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ cách mạng hóa các mô phỏng khí động lực học, nhưng đó là một cuộc hành trình tiến bộ ổn định hơn là đột phá. các kỹ sư bắt đầu khám phá các thuật toán lượng tử ngày nay sẽ được đặt vị trí tốt nhất để khai thác sức mạnh của nó khi lỗi máy móc có thể đến. kết quả cuối cùng -- an toàn hơn, hiệu quả hơn, và bay xanh lá cây - cũng đáng để chờ đợi.