通过Koopman-von Neumann线性化实现非线性电磁流体动力学的量子算法

为模拟等离子体现象,研究团队在开发高精度、高分辨率等离子体模拟中采用了大规模计算资源。等离子体模拟的主要瓶颈之一是对计算资源的需求会随空间网格数量呈多项式级增长,这给大规模建模带来了巨大挑战。为解决这一问题,该工作提出了一种量子算法来模拟支配空间等离子体的非线性电磁流体动力学。通过应用Koopman-von Neumann线性化方法,研究人员将其映射到薛定谔方程,并利用基于量子奇异值变换的哈密顿模拟实现系统演化。该算法的时间复杂度为O(sN_x polylog(N_x)T),其中s、N_x和T分别代表空间维度、单维度空间网格点数量和演化时间。相较于经典有限体积法O(sN_x^s(T^{5/4}+T√N_x))的复杂度,该算法在N_x上实现了多项式级加速,其空间复杂度更是从O(sN_x^s)指数级降低至O(s polylog(N_x))。数值实验证实:即使采用比理论预期更小的m值,以及具有实用意义的m和R参数组合,仍可获得精确解,验证了该方法的可行性。作为实际演示,该方法准确复现了开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象,凸显了其处理复杂非线性动力学问题的能力。这些结果表明,量子计算有望为突破多尺度等离子体建模的计算壁垒提供有效途径。
页数/图表: 登录可见
提交arXiv: 2025-09-26 15:44

量科快讯