Numerische Strömungsmechanik  Quantencomputing: Altair und TU München erreichen Meilenstein

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Altair und die TU München haben einen Meilenstein im Quantencomputing für die numerische Strömungsmechanik (CFD) erreicht: Eine jetzt veröffentlichte Forschungsarbeit zeigt Lösungen für einige Herausforderungen bei der Implementierung der Technologie auf.

Die Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift „Computer Physics Communications“ veröffentlicht wurde, stellt einen lauffähigen Code für Quantencomputer und Quantensimulatoren vor, der einige zentrale Herausforderungen der Quantencomputer-Implementierung der Lattice-Boltzmann-Methode überwindet. 

Forschungsvorhaben von Altair finanziert

Die Arbeit mit dem Titel „Quantum Algorithm for the Lattice-Boltzmann Method Advection-Diffusion Equation” wurde im Rahmen eines von Altair finanzierten Forschungsvorhabens von Forschern der Technischen Universität München entwickelt und vorangetrieben. Sie ist ein signifikanter Beitrag auf dem Gebiet des angewandten Quantencomputings, der das Engagement von Altair für zukunftsweisende Technologien unterstreicht. Die Arbeit wurde von Christian Janßen, Vice President CFD Solutions, Altair, und dem ehemaligen Chief Technology Officer von Altair, Uwe Schramm, als Koautoren mitverfasst.

Noch komplexere Simulationen bewältigen

„Altair hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Grenzen der Simulationstechnologie kontinuierlich zu erweitern “, sagt Christian Janßen, Vice President CFD Solutions bei Altair. „Unsere GPU-basierten CFD-Tools haben den Standard für Effizienz und Genauigkeit gesetzt. Jetzt erforschen wir das revolutionäre Potenzial von Quantencomputern, um noch komplexere Simulationen bewältigen zu können und dadurch neue Chancen für Innovationen im Produktdesign und in der Produktentwicklung zu erschließen.“

Generischer Quantenalgorithmus für dreidimensionale CFD

Die Studie präsentiert erstmals einen generischen Quantenalgorithmus für dreidimensionale CFD. Der Algorithmus hat das Potenzial, vollständig nichtlineare dreidimensionale CFD in die Quantenwelt zu bringen. Dies ist ein Wendepunkt für die nächste Generation der numerischen Strömungsmechanik und des simulationsbasierten Designs, da Quantencomputer im Vergleich zu klassischen Computern enorme Möglichkeiten in Bezug auf Modellgröße und Skalierbarkeit bieten. Die Forschungsergebnisse bestätigen ebenfalls, dass Quantencomputing nicht nur eine Theorie ist, sondern zu einem praxisorientierten Werkzeug werden kann, um reale Probleme anzugehen. 

Durch die praktische Anwendung von Quantencomputern eröffnen sich neue Möglichkeiten, verschiedene Gebiete der Physik beherrschbarer zu machen, wie CFD.

Ziel des Projekts

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Algorithmus für die quantenbasierte numerische Strömungsmechanik (CFD) unter Verwendung der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Durch die Verbindung der klassischen LBM mit der Quantenmechanik können Benutzer die überlegene Rechenleistung von Quantencomputern für Simulationen nutzen, die exponentiell schneller und potenziell genauer sind als klassische Berechnungen. Aufgrund seines Potenzials, die Rechenkapazität exponentiell zu erhöhen und komplexere Simulationen zu ermöglichen, wird das Quantencomputing voraussichtlich einen erheblichen Einfluss auf die Produktentwicklung in vielen Branchen haben, insbesondere im Gesundheitswesen, im Finanzwesen und in den Natur- und Biowissenschaften.

„Dies ist eine wichtige Entwicklung sowohl für unser Team als auch für die Altair-Forscher, die das Potenzial hat, eine neue Dimension des Quantencomputings zu eröffnen“, sagte Nikolaus Adams, Professor und Lehrstuhlinhaber für Aerodynamik und Strömungsmechanik an der Technischen Universität München. „Wir haben die Bausteine für eine neue Generation von Quanten-Algorithmen vorgestellt, die hoffentlich mehr praktische Quantencomputing-Anwendungen in Industrie und Wissenschaft in den Vordergrund rücken werden.“

Unitäre Transformation für klassische CFD

Wie in einem ähnlichen Artikel derselben Forschergruppe erörtert, werden die heutigen Quantenalgorithmen auf Deep Machine Ebene durch den Entwurf von Quantenschaltungen entwickelt. Im Gegensatz zu klassischem CFD, das nicht-unitär und nicht-linear ist, sind Quantenformeln unitär und linear. Die Forschung fand eine unitäre Transformation für klassische CFD und entwickelte zusätzlich einen maschinellen Lernansatz für den nicht-linearen Aspekt.

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Zu den Autoren der Veröffentlichung gehören neben Janßen und Schramm David Wawrzyniak, Josef Winter, Steffen Schmidt, Thomas Indinger und Nikolaus A. Adams von der Technischen Universität München. Die gesamte Quantenberechnung wurde am Leibniz-Rechenzentrum in der Nähe von München auf dem Atos QLM-System durchgeführt.

Quantencomputing durch Quantenfehlerkorrektur praxisorientierter machen

Diese Forschungsergebnisse sind die neuesten in einer Reihe von Entwicklungen, die durch die Investitionen von Altair in Quantencomputer vorangetrieben wurden. Insbesondere hat Altair auch in Riverlane investiert, ein Unternehmen, das sich darauf spezialisiert hat, Quantencomputing durch Quantenfehlerkorrektur (Quantum Error Correction - QEC) robuster und praxisorientierter zu machen. Riverlane hat seinen Hauptsitz in Cambridge, Großbritannien, wurde 2016 gegründet und ist bekannt für Deltaflow, ein einzigartiges QEC-Stack, das Quantencomputern dabei hilft, eine ausreichende Skalierung zu erreichen, um die ersten fehlerkorrigierten Quantenanwendungen ausführen zu können.