Исследователи Оксфордского университета представили революционный метод моделирования турбулентных систем, использующий вероятности для преобразования вычислительной гидродинамики. Эта инновация обещает значительно улучшить изучение хаотических систем.
В течение многих лет точное предсказание динамики турбулентных потоков жидкости представляло собой вызов для учёных и инженеров. Традиционные вычислительные методы испытывали трудности с моделированием чего-либо, кроме самых простых турбулентных потоков из-за хаотической и непредсказуемой природы турбулентности, характеризующейся вихрями различных форм и размеров.
Сотрудничая с коллегами из Гамбурга, Питтсбурга и Корнелла, команда Оксфорда переопределила проблему, чтобы устранить необходимость прямого решения этих турбулентных колебаний. Вместо того чтобы моделировать колебания напрямую, они представили их в виде случайных переменных, распределённых в соответствии с функцией распределения вероятностей. Этот подход позволил им извлекать значимые характеристики потока, такие как подъёмная сила и сопротивление, не погружаясь в хаос турбулентных колебаний.
Обычно моделирование распределений вероятностей турбулентности требует решения сложных уравнений Фоккера-Планка, что классические методы не могут сделать эффективно. Чтобы преодолеть это, команда применила вычислительную технологию, вдохновлённую квантовыми вычислениями, разработанную в Оксфорде, используя тензорные сети для представления распределений вероятностей турбулентности в гиперсжатом формате, что позволяет их моделирование.
В ходе исследования квантово-вдохновленный алгоритм, работающий на одном процессорном ядре, выполнял вычисления за несколько часов - задачи, на которые у аналогичного классического алгоритма ушло бы несколько дней на суперкомпьютере. Ожидается, что в будущем алгоритм тензорной сети, вдохновленный квантами, будет развернут на специализированном оборудовании, таком как тензорные процессоры и отказоустойчивые квантовые чипы.
По мнению исследователей, этот подход не только ставит под сомнение текущие ограничения моделирования турбулентности, но и открывает путь к моделированию других хаотических систем, которые можно описать вероятностно. Доктор Никита Гурьянов, ведущий исследователь физического факультета Оксфорда, отметил: "Доказанные и будущие вычислительные преимущества не только открывают новые, ранее недоступные области физики турбулентности для научного исследования, но и предвещают появление вычислительных кодов гидродинамики следующего поколения. Это может улучшить наши прогнозы погоды, сделать наши автомобили более аэродинамичными и повысить эффективность химической промышленности и многое другое."