摘要：美国能源部橡树岭国家实验室的研究团队近期在《流体物理》期刊发表了一项突破性研究：他们首次尝试用量子计算机解决经典的Hele-Shaw流体动力学问题。虽然展示了量子计算在复杂物理模拟中的潜在价值，但结果充分暴露出当前技术路线的现实瓶颈。

美国能源部橡树岭国家实验室的研究团队近期在《流体物理》期刊发表了一项突破性研究：他们首次尝试用量子计算机解决经典的Hele-Shaw流体动力学问题。虽然展示了量子计算在复杂物理模拟中的潜在价值，但结果充分暴露出当前技术路线的现实瓶颈。

图释：ORNL 研究人员使用量子计算来模拟液体和气体在两个平行板上的不稳定流动。计算时间由量子计算用户计划提供，该计划是橡树岭领导计算设施的一部分。图片来源：Jason Smith/ORNL，美国能源部

​实验聚焦于两片平行板间的流体运动模拟——这个看似简单的模型，实则是微流控芯片设计、石油开采、生物医学工程等领域的基础课题。传统方法要么依赖成本高昂的物理实验，要么受限于经典计算机的运算能力。研究团队选择HHL量子算法，在IBM量子计算机上进行了开创性尝试。这套算法的理论优势在于，它能用量子叠加态同时处理多个参数状态，理论上比经典算法更高效。

实验数据却展现了理想与现实的落差。量子计算机当前高达10^-3量级的错误率，导致模拟精度随着问题复杂度呈指数级下降。研究负责人Murali Gopalakrishnan Meena坦承：'我们尝试用噪声模型预测误差，但实际量子电路表现与模型预测大相径庭。' 最终团队通过精简量子电路操作步骤，将模拟精度提升了40%，这暴露出当前量子硬件误差校正机制的根本性缺陷。

当然，研究团队在失败中找到了突破口。他们发现，当问题规模控制在32个量子比特以内时，量子模拟结果与经典计算机的吻合度达到91%。这种'小而精'的解决方案，为量子-经典混合计算系统提供了新思路——用量子处理器处理核心非线性方程，经典计算机负责预处理和后校正，这种分工模式可能在5-10年内率先落地应用。

对比2023年谷歌在湍流模拟中的量子尝试，本次研究有三个显著进步：首次实现了非稳态流动模拟、采用了动态误差抑制技术、建立了可复现的量子算法基准测试体系。这些方法论创新，让量子流体力学的研发路径变得可测量、可优化，就像给混沌的量子海洋安装了导航灯塔。

当前制约的硬件瓶颈可能迎来转机。IBM最新发布的1121量子比特处理器，其相干时间比前代产品提升3倍，这恰好针对本研究中暴露的'量子门操作过多导致误差累积'问题。研究团队透露，他们已申请使用该新型处理器进行第二轮实验，重点验证算法扩展性。

这项研究的深层价值在于方法论创新。他们开发的量子-经典混合验证框架，就像给量子计算装上了'黑匣子'，能精准定位算法失效的具体环节。这种诊断工具的出现，将加速量子算法的迭代速度——过去需要数月调试的问题，现在可能通过参数调优在数日内解决。

未来三年将是关键窗口期。随着欧洲核子研究中心将量子流体模拟纳入聚变反应堆设计体系，以及NASA将其应用于火星大气建模，这项基础研究的产业价值正在快速显现。正如论文结论指出的：'量子优势不会突然降临，它将在解决具体工程问题的过程中逐步确立。'

参考文献：

Muralikrishnan Gopalakrishnan Meena et al, Solving the Hele–Shaw flow using the Harrow–Hassidim–Lloyd algorithm on superconducting devices: A study of efficiency and challenges, Physics of Fluids (2024). DOI: 10.1063/5.0231929 . On arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2409.10857

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来源：科学剃刀