基于量子算法的计算流体动力学模拟方法、装置及设备与流程

技术特征：
1.一种基于量子算法的计算流体动力学模拟方法，其特征在于，所述方法包括：在利用有限体积法解析计算流体动力学的过程中，针对流体运动的离散化数值网格中各网格单元，构建表示所述网格单元坐标信息的第一量子线路、表示所述网格单元的状态参数的第二量子线路，其中，所述网格单元的状态参数存储在量子随机存取存储器中，所述量子随机存取存储器可操作处于量子叠加态的地址和数据；基于所述第一量子线路、所述第二量子线路、所述量子随机存取存储器构建表示所述网格单元流体状态变化的线性系统方程的参数的第三量子线路；针对所有的网格单元，基于所述第三量子线路求解所述网格单元的线性系统方程，当所述网格单元的流体状态趋于稳定时，获得所述网格单元线性系统方程的状态参数表示的流体状态作为所述网格单元的目标状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一量子线路包括第一oracle及第二oracle；所述第一oracle用于提取指定网格单元的相邻网格数，所述第二oracle用于提取网格单元的坐标信息。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二量子线路，包括：通过量子态的振幅提取所述网格单元的状态参数的第二模拟态量子线路，和通过量子态的本征态提取所述网格单元的状态参数的第二数字态量子线路。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子随机存取存储器内存储有的地址和数据的预设映射关系，所述地址用第一叠加态编码，所述第一叠加态中的每个本征态对应一个地址信息，所述数据用第二叠加态编码，所述第二叠加态中的每个本征态对应一个数据信息。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线性系统方程为：a
n
δu
n
＝b
n
；其中：δu
n
＝u
n 1-u
n
；其中：n表示记录流体状态的第n个时刻；u
n
表示第n个时刻网格单元的流体状态，u
n
＝{u
i
}，i＝0，1，2，...，n-1，u
i
表示网格单元i的流体状态；a
n
表示第n个时刻的系数矩阵，且表示a
n
为与u
n
，相关的函数，b
n
表示第n个时刻的残差量，且表示b
n
为与u
n
，相关的函数，n为网格单元的总数量，为所述网格单元的坐标信息；所述线性系统方程的参数包括当前时刻的系数矩阵a
n
和当前时刻的残差量b
n
；所述第三量子线路包括对应所述系数矩阵a
n
的oracle o
a
，和对应所述残差量b
n
的oracle o
b
；所述oracle o
a
用于提取当前n时刻系数矩阵a
n
的元素a
i
′
j
′
，a
n
＝{a
i
′
j
′
}，i
′
＝4i i1，j
′
＝4j j1，i，j＝0，1，2，...，n-1；i1，j1是0到3的整数，对网格单元i的第j个相邻网格单元，所述oracle o
a
的作用为o
a
|i〉|j〉＝|i〉|j>|a
i
′
j
′
〉；所述oracle o
b
用于提取当前n时刻的残差量b
n
的元素b
i
，其中，b
i
表示网格单元i的残差量，b
n
＝{b
i
}，i＝0，1，2，...，n-1；对网格单元i，所述oracle o
b
的作用为o
b
|0>＝∑
i
b
i
|i>。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一量子线路、所述第二量子线路、所述量子随机存取存储器构建表示所述网格单元流体状态变化的线性系统方程的
参数的第三量子线路，包括：针对b
n
包括的对应于网格单元i的残差量bi，获取网格单元i的相关网格单元；基于所述第二oracle获取所述相关网格单元的坐标信息作为第一相关坐标信息x
related
；基于所述第二量子线路和所述量子随机存取存储器，获取相关网格单元对应的状态参数信息作为第一相关状态参数u
related
；构建用于同时编码所述第一相关坐标信息和所述第一相关状态参数的第一子量子线路oracle o
b1
，oracle o
b1
用于实现：|i>|0>|0>
→
|i>|u
related
>|x
related
>；根据u
related
和x
related
获得bi(x
related
，u
related
)；构建编码bi(x
related
，u
related
)的第二子量子线路oracle o
b2
，oracle o
b2
用于实现|i>|u
related
>|x
related
>|0>
→
|i>|u
related
>|x
related
>|bi>；构建第三子量子线路oracle o
b3
，其中：所述第三子量子线路oracle o
b3
是所述第一子量子线路oracle o
b1
的转置共轭量子线路，oracle o
b3
用于实现|i>|u
related
〉|x
related
>|bi>
→
|i>|0>|0>|bi>；构建用于量子态转化的第四子量子线路oracle o
b4
，oracle o
b4
用于实现|i〉|0〉|0〉|bi〉
→
bi|i>；基于所述第一子量子线路oracle o
b1
、所述第二子量子线路oracle o
b2
、所述第三子量子线路oracle o
b3
和所述第四子量子线路oracle o
b4
构建oracle o
b
。7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一量子线路、所述第二量子线路、所述量子随机存取存储器构建表示所述网格单元流体运动状态变化的线性系统方程的参数的第三量子线路，包括：针对a
n
包括的系数矩阵a
i
′
j
′
，基于所述第一oracle获取网格单元i的第j个相邻网格单元的网格数g(i，j)，其中：g(i，j)为网格单元的状态参数和坐标信息的函数；基于网格单元i的第j个相邻网格单元的网格数g(i，j)构建a
i
′
j
′
的第i行第j个非零元素的列数f(i，j)；其中，其中：f(i，j)为网格单元的状态参数和坐标信息的函数，％表示取余运算；表示向下取整符号；根据f(i，j)获得a
i
′
j
′
，其中：i0、j0分别表示网格单元i、j的编号，每个网格单元有4个状态参数，i1、j1范围是0～3，分别表示网格单元i0、j0的4种状态参数；表示网格单元i0中的状态参数，，表示网格单元j0中的状态参数；表示网格单元i0相关的位置坐标，表示网格单元j0相关的位置坐标；针对i0和j0，利用所述量子随机存取存储器提取其对应的状态参数和并利用上述第二oracle提取其对应的坐标信息和构建用于同时编码所述坐标信息和和所述状态参数和的第一子量子线
路oracle o
a1
，oracle o
a1
用于实现：构建编码的第二子量子线路oracle o
a2
，oracle o
a2
用于实现：构建第三子量子线路oracle o
a3
，其中：所述第三子量子线路oracle o
a3
是所述第一子量子线路oracle o
a3
的转置共轭量子线路，oracle o
a3
用于实现：基于所述第一子量子线路oracle o
a1
、所述第二子量子线路oracle o
a2
和所述第三子量子线路oracle o
a3
构建oracle o
a
。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述针对所有的网格单元，基于所述第三量子线路求解所述网格单元的线性系统方程，当所述网格单元的流体状态趋于稳定时，获得所述网格单元线性系统方程的状态参数表示的流体状态作为所述网格单元的目标状态，具体包括：针对所有的网格单元，基于所述第三量子线路表示的所述线性系统方程，从所述网格单元的状态参数的初始值开始，对所述线性系统方程进行迭代直至b
n
趋近于0时，获取此时的δu
n
；根据获取的δu
n
对所述量子随机存取存储器中存储的u
n
进行更新，得到u
n 1
作为所述网格单元的目标状态。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述δu
n
为信息编码在量子态振幅上的模拟编码态数据；所述根据δu
n
对所述量子随机存取存储器中存储的u
n
进行更新，得到u
n 1
作为所述网格单元的目标状态，具体包括：构建第一数据转化量子线路oracle o
convert1
，oracle o
convert1
用于实现：δu
n
|i>|0>
→
|i>|δu
n
>；从所述量子随机存取存储器中提取u
n
；构建量子加法器线路oracle o
add
，oracle o
add
用于实现：|i〉|u
n
〉|δu〉
→
|i〉|u
n
〉|u
n 1
>；构建第二数据转化量子线路oracle o
convert2
，oracle o
convert2
用于实现：|i〉|u
n
>|u
n 1
>
→
|i>|0>|u
n 1
>；获得由依次设置的所述第一数据转化量子线路oracle o
convert1
、所述量子随机存取存储器、所述量子加法器线路oracle o
add
和所述第二数据转化量子线路oracle o
convert2
的量子线路编码的由量子态本征态编码的|i〉|0〉|u
n 1
〉作为所述线性系统方程所包含的状态参数目标值；
根据所述状态参数目标值得到所述网格单元的目标状态。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述状态参数目标值得到所述网格单元的目标状态，具体包括：构建第三数据转化量子线路oracle o
convert3
，oracle o
convert3
用于实现：|i>|0>|u
n 1
>
→
u
n 1
|i〉；利用所述第三数据转化量子线路oracle o
convert3
将所述状态参数目标值转换为由量子态振幅编码的u
n 1
，获得各所述网格单元的目标状态。11.一种基于量子算法的计算流体动力学模拟装置，其特征在于，所述装置包括：网格量子线路构建模块，用于在利用有限体积法解析计算流体动力学的过程中，针对流体运动的离散化数值网格中各网格单元，构建表示所述网格单元坐标信息的第一量子线路、表示所述网格单元的状态参数的第二量子线路，其中，所述网格单元的状态参数存储在量子随机存取存储器中，所述量子随机存取存储器可操作处于量子叠加态的地址和数据；参数量子线路构建模块，用于基于所述第一量子线路、所述第二量子线路、所述量子随机存取存储器构建表示所述网格单元流体状态变化的线性系统方程的参数的第三量子线路；目标状态获取模块，用于针对所有的网格单元，基于所述第三量子线路求解所述网格单元的线性系统方程，当所述网格单元的流体状态趋于稳定时，获得所述网格单元线性系统方程的状态参数表示的流体状态作为所述网格单元的目标状态。12.一种量子计算机设备，其特征在于，包括：量子线路、量子效应器及量子随机存取存储器，所述量子计算机设备在运行时实现权利要求1-10任一所述的基于量子算法的计算流体动力学模拟方法。13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-10任一所述的基于量子算法的计算流体动力学模拟方法。

技术总结
本申请实施例提供了基于量子算法的计算流体动力学模拟方法、装置及设备，量子计算的固有特征是量子并行性。在希尔伯特空间中，量子比特的量子态是一个向量，每个作用在量子比特上的量子逻辑门操作都是在希尔伯特空间中的量子态变换。如果将对一个实际问题的描述编码为一组量子比特的量子状态向量，则可以通过执行操作来改变向量实现问题的求解，而无需迭代每个量子比特的状态。例如，如果将矩阵和向量相乘，不再需要for循环，仅需要量子逻辑门操作作用于输入的量子态上即可。本申请实施例中，实现了利用量子计算实现CFD模拟，利用量子计算，相对于经典算法有指数级的加速，从而能够降低CFD的复杂度，增加CFD的实用性。增加CFD的实用性。增加CFD的实用性。


技术研发人员：李叶 安宁波
受保护的技术使用者：合肥本源量子计算科技有限责任公司
技术研发日：2020.08.04
技术公布日：2022/2/24