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作者：郭国平来源：学习时报发布时间：2025/7/16 8:49:47 选择字号：小中大

超越“不可能三角”：量子计算在流体力学领域的量计应用

在全球科技竞争聚焦前沿突破与自主可控的今天，量子计算作为颠覆性技术，算流其工程化应用能力已成为衡量国家科技实力的体力WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91ladder%20tree%20stand%20installation%20hoist%20system重要标尺。2024年10月，学领新闻合肥综合性国家科学中心人工智能研究院、域的应用中国科学技术大学、科学本源量子等单位依托第三代自主超导量子计算机“本源悟空”模拟了网格规模为41×41非定常声波传播问题，量计求解的算流线性方程组维度高达5043，成功展示了在超导量子计算机上进行大规模流体模拟的体力潜力。这也是学领新闻迄今为止国际上采用量子计算的最大规模计算流体力学（CFD）案例。

量子计算为流体力学开辟新路径

在流体力学领域，域的应用长期以来存在一个难题，科学即精度、量计规模和效率难以同时兼顾，算流被称为“不可能三角”。体力传统CFD方法在进行高精度流体模拟时，如对飞机机翼形状进行优化设计，需要处理数亿个网格单元，计算成本极其昂贵，可能耗费数月甚至数年的WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91ladder%20tree%20stand%20installation%20hoist%20system计算资源。

量子计算技术的出现为这一难题提供了潜在的解决方案。量子计算凭借其强大的并行处理能力，能够显著降低解大规模线性方程组运算的复杂度。以线性方程组的量子算法（HHL算法）为例，它将复杂度从传统的O（N）降低至O（logN），即从线性增长转变为对数增长，极大地提升了计算效率。量子计算还能在保证精度的同时扩大模拟规模，为流体力学领域提供更高效、更精准的解决方案。这将为流体力学领域的研究和实际工程应用开辟全新的可能性。

在国内，本源量子很早就开始了量子计算流体动力学探索。2019年，法国空中客车公司发起全球量子计算挑战赛，邀请了全球36个量子计算团队、超过800名研究人员，旨在利用量子算力加快飞机机翼设计。在此次比赛中，本源量子团队构建了一个在量子计算机上求解计算流体动力学问题的算法，成为唯一入围该挑战赛五强名单的中国企业。

在国际方面，2023年，英伟达、罗尔斯·罗伊斯与量子技术公司Clas-siq合作设计全球最大规模量子计算流体动力学电路，显著提升航空发动机效率。法国空中客车公司联合英国囚禁离子量子计算技术开发商（OxfordIonics）和多物理场模拟软件提供商（Quanscient）公司推进航空量子流体技术，计划2025年将量子CFD集成至飞机设计流程，目标是将高超声速气动热仿真时间从数周缩短至小时级。

量子计算或成驱动高端制造业升级的关键引擎

计算流体动力学广泛应用于航空航天、汽车工程、船舶设计等领域，与飞行器、汽车及船舶的外形设计都紧密相关。在该领域，量子计算展现出巨大潜力。

在能源装备领域，风电叶片复杂气动载荷模拟方面，量子计算能够更精准地预测叶片在不同工况下的受力情况，从而优化叶片设计，提高发电效率；对于核反应堆冷却系统多相流优化，量子模拟可帮助精确控制冷却剂的流动特性，提升核反应堆的安全性和运行效率。量子计算的高效模拟能力，可为这些重大工程提供更快速、精准的解决方案，保障国家能源与国防安全，推动项目高效实施。

在航空航天领域，通过高精度量子流体模拟，可大幅压缩飞行器外形迭代周期。我国已依托超导量子计算机“本源悟空”完成全球最大规模（网格规模41×41）的量子计算流体动力学仿真，将线性方程组求解维度提升至5043，验证了超导量子硬件在复杂工程问题中的潜力。我国开发的“本源量禹”软件也已验证量子计算在复杂气动仿真问题上的可靠性。通过高精度的量子流体模拟，优化飞行器的气动外形，提升其空气动力学性能，加速新型号的迭代研发，增强我国航空航天产业的全球竞争力，将使我国在国际航空航天领域占据更为有利的地位。

在汽车船舶工业领域，借助量子优化的流体仿真，高效探索数以百万计的设计参数组合，实现汽车和船舶气动/水动性能的极致优化。有望将新车、新船的研发周期缩短，促使油耗/排放降低、续航里程提升等显著经济效益。这将推动汽车产业向绿色低碳和高性能方向发展，助力船舶工业进一步提升在国际市场的份额，促进我国汽车船舶工业的转型升级。

在环境工程领域，法国空中客车公司与超导量子计算公司IQM等合作，利用量子计算提升CFD性能，从而优化飞机设计、降低燃油消耗与碳排放等。丹麦开发高分辨率拉格朗日模型（DALM），结合量子算法后可实现污染物扩散动态预警。通过量子计算对污染扩散过程进行快速、准确的模拟，为环境监测和污染防控提供及时、科学的决策依据。这将助力环境工程领域在应对大气污染等环境问题时更加高效，为我国生态环境保护提供有力的技术支撑。

机遇、挑战与自主发展路径

当前，欧美商业CFD软件（如Ansys Fluent、CFX）占据中国市场份额超90%，我国工业软件国产化率不足10%。量子计算为我国提供了打破垄断、实现“弯道超车”的战略机遇。发展自主可控的量子计算流体力学技术，将有效降低对国外软件和技术的依赖，提升高端制造业核心竞争力，并保障关键领域技术安全与工业体系的自主稳定发展。

尽管前景光明，量子计算在流体力学应用仍面临理论与技术双重挑战。一是理论框架还需“打好地基”。量子流体动力学基础理论体系、量子——经典混合算法的数学基础等问题需深入探索。二是硬件还需“练内功”。当前量子计算机（NISQ中等规模阶段）尚不成熟，量子比特数量少、相干时间短、错误率高，制约了大规模复杂问题求解能力。三是算法离工程化有“最后一公里”。算法的可扩展性、容错性及实际工程接口设计均需重大突破。四是复合型人才稀缺。既懂量子计算又精通流体力学尖端问题的跨学科人才严重不足，培养速度远远跟不上技术发展需求。

为巩固我国来之不易的先发优势、抢占战略制高点，建议采取以下关键举措。

建设国家级协同创新平台。集聚合肥、北京、上海等地的优势科研力量，成立国家量子流体力学重点实验室或创新中心。优先向流体力学领域开放“本源悟空”等国家自主量子算力平台，集中资源开展核心算法、软件框架与工程化验证的联合攻关。打破部门和地域限制，形成协同创新的合力，加速量子计算在流体力学领域的技术突破和应用推广。这样的平台建设将汇聚各方优势资源，为量子计算与流体力学的深度融合提供坚实的物质基础和科研环境。

强化基础研究与核心技术攻关。设立量子计算流体力学国家专项基金，重点支持量子——经典混合算法、高效量子态制备与测量、面向流体问题的专用量子硬件以及误差缓解等底层技术的研发。同时，鼓励顶尖高校设立量子流体力学交叉学科，加强跨学科人才培养，制定相关专业课程体系和培养方案，为该领域源源不断输送高素质复合型人才。

加速产业融合与应用示范。在国产大飞机、第四代核电站等国家重大工程以及新能源汽车、船舶制造、清洁能源等优势产业中，设立量子计算流体力学（QCFD）应用示范项目。以实际工程需求为牵引，推动量子计算技术与产业应用的深度融合。建立“产学研用”紧密协同机制，促进龙头企业与量子计算团队深度合作，将前沿算法快速转化为实际的工程设计力和生产力。

积极参与全球治理与标准制定。在坚持核心技术自主可控的前提下，积极参与量子计算流体力学国际标准、基准测试等制定工作。支持国内科研团队和专家主导国际会议与期刊，提升我国在该领域的学术影响力和国际话语权。通过参与国际合作与交流，推动形成开放、包容、互利共赢的量子计算流体力学国际合作生态。

（作者系中国科学技术大学教授，安徽省量子计算工程研究中心主任）

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作者:休閑