Nieuw kwantumalgoritme halveert obstakel in simulaties van vloeistofstromen

Onderzoekers van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een nieuw algoritme ontwikkeld dat een groot obstakel in kwantumsimulaties van vloeistofstromen wegneemt. Het algoritme, LuGo genoemd, verlaagt het aantal benodigde rekenstappen op een kwantumcomputer van 2 miljoen naar 91.000. Dat is een besparing van meer dan 95 procent. De doorbraak werd dit jaar bekroond met een R&D 100 Award, een prestigieuze prijs voor technologische innovatie.

Waarom vloeistofstromen zo lastig te simuleren zijn

Het voorspellen van turbulentie en stroming speelt een cruciale rol in sectoren als luchtvaart en olieraffinage. Traditionele rekenmethoden gebruiken vereenvoudigde vergelijkingen die details kunnen missen. Volledige simulaties zijn preciezer, maar vergen enorme rekenkracht: een eerdere 3D-simulatie van oceaanstromingen op de Summit-supercomputer van ORNL vereiste het doorrekenen van biljoenen rekenpunten.

Kwantumcomputers zouden in theorie sneller met dit soort problemen kunnen omgaan, omdat een qubit anders dan een klassieke bit meerdere waarden tegelijk kan vertegenwoordigen. Het ORNL-team onderzocht eerder een aanpak voor de zogeheten Hele-Shaw-stroming — een model voor vloeistof tussen twee dicht bij elkaar liggende platen — met het bekende HHL-algoritme, vernoemd naar de onderzoekers Harrow, Hassidim en Lloyd. Die methode liep echter tegen een fors probleem aan: meer dan 90 procent van de rekentijd ging op aan het omzetten van de vergelijking naar kwantumvorm, een proces dat bekendstaat als kwantumfase-schatting.

Van 2 miljoen naar 91.000 rekenstappen

Het knelpunt zat vooral in het aantal benodigde logische poorten: de schakelingen die berekeningen in een kwantumalgoritme uitvoeren. Hoe meer poorten, hoe groter de kans op fouten, omdat qubits gevoelig zijn voor ruis en snel hun informatie verliezen. Om het onderzoek uit te voeren, kregen de wetenschappers rekentijd op twee van de snelste supercomputers ter wereld: Frontier van ORNL en Perlmutter van het Amerikaanse National Energy Research Scientific Computing Center. Die hoogprestatie-computing-systemen werden gebruikt om LuGo te ontwikkelen en te testen via klassieke simulaties van de kwantumcircuits.

De kern van LuGo is dat het algoritme meer rekenwerk vooraf op een gewone computer uitvoert, voordat de data wordt omgezet naar kwantumvorm. Die verschuiving scheelde uiteindelijk 95 procent aan benodigde poorten. Het team testte de methode ook op echte kwantumprocessoren van bedrijven als IBM, IQM en Quantinuum, met zowel supergeleidende als ion-gebaseerde technologie. Volgens de onderzoekers is dit slechts een eerste stap: naarmate fouttolerante kwantumcomputers met minder foutgevoeligheid beschikbaar komen, verwachten ze dat vergelijkbare methodes ook in andere toepassingen tot grote versnellingen kunnen leiden.