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A quantum computing-based lattice Boltzmann method with a linearized non-equilibrium collision operator and modular circuit for practical flow simulation

物理 模块化设计 格子Boltzmann方法 碰撞 流量(数学) 经典力学 统计物理学 机械 计算机科学 计算机安全 操作系统
作者
Kang-Yang Zeng,Xiaodong Niu,Adnan Khan,Decai Li,Hiroshi Yamaguchi
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (8)
标识
DOI:10.1063/5.0278054
摘要

Quantum computing (QC) has emerged as a potential computational tool in fluid dynamics. However, a practical QC protocol with end-to-end practical applications to fluid flow is still in nascent. We here propose a simple and practical hybrid QC algorithm based on lattice Boltzmann methods (LBM), which we term HQLBM, for fluid dynamics simulations. The existing QC-based LBMs are limited to simple low-Reynolds-number flow simulations due to their disability to handle the nonlinear collision term in LBM for QC. In this work, a linearized non-equilibrium collision, derived from kinetic theory, is presented for HQLBM simulating practical flows. The present approach ensures the unitary of quantum algorithms while keeping the collision relaxation parameter adjustable for simulating different Reynolds number flows. Most importantly, the linearized collision keeps the accuracy of the original nonlinear one in the lattice Boltzmann equation when it theoretically recovers its macroscopic counterpart—Navier–Stokes equations. The practicality of the proposed method is demonstrated by simulating two typical flows, including lid-driven and natural convection flows in a square cavity at different Reynolds and Rayleigh numbers, respectively. It is shown that the proposed HQLBM has good numerical accuracy compared to the conventional LBM, and lower complexity on comparisons to the QC-based LBM carried out on single-circuit QC even when it is performed on a Qiskit virtual quantum computer. This work offers a practical application of QC-based LBM for complex fluid dynamics problems.
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