Annons

Ett genombrott som banar väg för fullt icke-linjär tredimensionell vätskesimulering i kvantvärlden

EN GAMECHANGER FÖR NÄSTA GENERATIONS CFD OCH SIMULERINGSBASERAD DESIGN. Vilken industriell nytta skulle kvantumdatorer och kvantberäkning kunna ge? Frågan är extremt intressant, inte minst inom sub-PLM-området simulering och analys. Genom att uppnå kvantfördelar, definierat som förmågan att använda kvantdatorer för att lösa problem som ligger utom räckhåll för klassiska datorer, skulle man kunna lösa några av de mest utmanande beräkningsproblemen som finns inom tillverkningsindustrin. Ett exempel inom automotive och batteridrivna elbilar är att det skulle kunna bidra till en bättre förståelse för litiumföreningar och batterikemi. Till exempel kan kvantberäkningar utnyttja och skapa förståelse hur dockningsenergin hos proteiner fungerar, vilket resulterar i bättre batterier för elfordon.
De här bitarna aktualiseras av en nyhet från HPC, simulerings- och analysföretaget Altair och Münchens tekniska universitet som kan öppna en ny värld av möjligheter inom områden som traditionellt styrs av klassisk fysik, som CFD ( Computational Fluid Dynamics, ”vätskedynamik”), genom att möjliggöra den praktiska tillämpningen av kvantberäkning.
Det handlar ett stort genombrott, publicerat i tidskriften Computer Physics Communications, där man presenterar körbar kod för kvantdatorer och kvantsimulatorer som övervinner flera viktiga utmaningar i implementeringen av kvantberäkningen av Lattice-Boltzmann-metoden.
Uppsatsen, med titeln "Quantum Algorithm for the Lattice-Boltzmann Method Advection-Diffusion Equation", har tagits fram bl a genom ett forskningsanslag från Altair. Grovt tillyxat arbetar Lattice-Boltzmann-metoden i grunden med två nyckelprocesser: kollision och strömmning. I kollisionsfasen samverkar partikelfördelningar vid varje gitternod, vilket resulterar i en omblandning av partikelhastigheter, vilket säkerställer att både massa och momentum bevaras.
Vad man nu gjort är att man för första gången fått fram en generisk kvant-CFD-algoritm för tredimensionell CFD. Algoritmen har potential att föra in helt icke-linjär tredimensionell CFD i kvantvärlden. Detta, menar man, ”är en gamechanger för nästa generations CFD och simuleringsbaserad design eftersom resultaten visar de enorma möjligheter när det gäller modellstorlek och skalbarhet som kvantdatorer erbjuder jämfört med klassiska datorer.
Altairs Christian Janssen, VP för CFD-lösningar och medförfattare av artikeln säger:
"Våra GPU-drivna CFD-verktyg har satt standarden för effektivitet och noggrannhet. Nu utforskar vi den revolutionerande potentialen hos kvantdatorer för att tackla ännu mer komplexa simuleringar, vilket öppnar upp nya möjligheter för innovation inom produktdesign och ingenjörskonst."
"Detta är en viktig upptäckt för både vårt team och Altair-forskarna, som har potential att öppna en ny dimension av kvantberäkningar", säger Nikolaus Adams, professor och ordförande för aerodynamik och vätskemekanik, Tekniska universitetet i München. "Vi har presenterat byggstenarna för en ny generation av kvantberäkningsalgoritmer."

Stora saker alltså som i förlängningen kan göra kvantberäkning till ett praktiskt verktyg för att ta itu med verkliga problem.
”Precis,” säger Janssen. ”Detta är ett betydande bidrag till området för tillämpad kvantberäkning som f ö också understryker Altairs engagemang för banbrytande teknologier.
Denna forskning är den senaste i en rad utvecklingar katalyserad av Altairs satsning på kvantberäkning. Noterbart är att Altair också har investerat i Riverlane, ett företag som specialiserat sig på att göra kvantberäkningar mer robusta och mer praktiska genom att lösa utmaningar för kvantfelskorrigering (QEC). Riverlane, som har sitt huvudkontor i Cambridge, U.K., grundades 2016 och är känt för Deltaflow, en unik QEC-stack som hjälper kvantdatorer att nå tillräcklig skala för att exekvera de första felkorrigerade kvantapplikationerna.

Algoritm för kvantberäknings-vätskedynamik
Detta sagt om Altair ska vi titta närmare på forskningen som är föremålet för denna artikel.

Projektets mål var att utveckla en algoritm för kvantberäkningsvätskedynamik (CFD) med hjälp av Lattice Boltzmann-metoden (LBM). Genom att göra klassisk CFD kompatibel med kvantmekanik kan användare utnyttja kvantberäkningens överlägsna processorkraft för simuleringar som är exponentiellt snabbare och potentiellt mer exakta än klassiska beräkningar.

På grund av dess potential att exponentiellt öka beräkningshastigheten och möjliggöra mer komplexa simuleringar, förväntas kvantberäkning ha en betydande inverkan på produktutvecklingen inom många branscher, nämligen sjukvård, finans och natur-/biovetenskap.

”Detta är en viktig upptäckt för både vårt team och Altair-forskarna, en som har potential att öppna en ny dimension av kvantberäkningar”, säger Nikolaus Adams, professor och ordförande för aerodynamik och vätskemekanik, Tekniska universitetet i München. ”Vi har presenterat byggstenarna för en ny generation av kvantberäkningsalgoritmer, som förhoppningsvis kommer att ta mer praktiska kvantberäkningsapplikationer i framkant i både industri och akademi.”

Design av kvantkretsar
Som diskuterats i ett liknande dokument av samma grupp forskare, utvecklas dagens kvantberäkningsalgoritmer på djup maskinnivå genom att designa kvantkretsar. Klassisk CFD är icke-enhetlig och icke-linjär, medan kvantformuleringar är enhetliga och linjära. Forskningen fann en enhetlig transformation för klassisk CFD, förutom att utveckla en maskininlärningsmetod för den icke-linjära aspekten.

Artikeln i Computer Physics Communications är författad av David Wawrzyniak från Tekniska universitetet i München, Josef Winter, Steffen Schmidt, Thomas Indinger och Nikolaus A. Adams, tillsammans med Janssen och och bolagets tidigare teknologichef, Uwe Schramm.
All kvantberäkning utfördes vid Leibniz Supercomputing Centre, nära München, Tyskland, på Atos QLM-systemet.

Print Friendly, PDF & Email

Success Stories

Industriellt

Success Stories

Intressant på PLM TV News

PLM TV News

PLM TV News

PLM TV News

PLM TV News

PLM TV News

Aktuell ANALYS

Aktuell Analys

Aktuell Analys

3D-printing

Block title