在全球科技競爭聚焦前沿突破與自主可控的今天，量子計算作為顛覆性技術，其工程化應用能力已成為衡量國家科技實力的重要標尺。2024年10月，合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院、中國科學技術大學、本源量子等單位依托第三代自主超導量子計算機“本源悟空”模擬了網格規模為41×41非定常聲波傳播問題，求解的線性方程組維度高達5043，成功展示了在超導量子計算機上進行大規模流體模擬的潛力。這也是迄今為止國際上采用量子計算的最大規模計算流體力學（CFD）案例。
量子計算為流體力學開辟新路徑
在流體力學領域，長期以來存在一個難題，即精度、規模和效率難以同時兼顧，被稱為“不可能三角”。傳統CFD方法在進行高精度流體模擬時，如對飛機機翼形狀進行優化設計，需要處理數億個網格單元，計算成本極其昂貴，可能耗費數月甚至數年的計算資源。
量子計算技術的出現為這一難題提供了潛在的解決方案。量子計算憑借其強大的并行處理能力，能夠顯著降低解大規模線性方程組運算的復雜度。以線性方程組的量子算法（HHL算法）為例，它將復雜度從傳統的O（N）降低至O（logN），即從線性增長轉變為對數增長，極大地提升了計算效率。量子計算還能在保證精度的同時擴大模擬規模，為流體力學領域提供更高效、更精準的解決方案。這將為流體力學領域的研究和實際工程應用開辟全新的可能性。
在國內，本源量子很早就開始了量子計算流體動力學探索。2019年，法國空中客車公司發起全球量子計算挑戰賽，邀請了全球36個量子計算團隊、超過800名研究人員，旨在利用量子算力加快飛機機翼設計。在此次比賽中，本源量子團隊構建了一個在量子計算機上求解計算流體動力學問題的算法，成為唯一入圍該挑戰賽五強名單的中國企業。
在國際方面，2023年，英偉達、羅爾斯·羅伊斯與量子技術公司Clas-siq合作設計全球最大規模量子計算流體動力學電路，顯著提升航空發動機效率。法國空中客車公司聯合英國囚禁離子量子計算技術開發商（OxfordIonics）和多物理場模擬軟件提供商（Quanscient）公司推進航空量子流體技術，計劃2025年將量子CFD集成至飛機設計流程，目標是將高超聲速氣動熱仿真時間從數周縮短至小時級。
量子計算或成驅動高端制造業升級的關鍵引擎
計算流體動力學廣泛應用于航空航天、汽車工程、船舶設計等領域，與飛行器、汽車及船舶的外形設計都緊密相關。在該領域，量子計算展現出巨大潛力。
在能源裝備領域，風電葉片復雜氣動載荷模擬方面，量子計算能夠更精準地預測葉片在不同工況下的受力情況，從而優化葉片設計，提高發電效率；對于核反應堆冷卻系統多相流優化，量子模擬可幫助精確控制冷卻劑的流動特性，提升核反應堆的安全性和運行效率。量子計算的高效模擬能力，可為這些重大工程提供更快速、精準的解決方案，保障國家能源與國防安全，推動項目高效實施。
在航空航天領域，通過高精度量子流體模擬，可大幅壓縮飛行器外形迭代周期。我國已依托超導量子計算機“本源悟空”完成全球最大規模（網格規模41×41）的量子計算流體動力學仿真，將線性方程組求解維度提升至5043，驗證了超導量子硬件在復雜工程問題中的潛力。我國開發的“本源量禹”軟件也已驗證量子計算在復雜氣動仿真問題上的可靠性。通過高精度的量子流體模擬，優化飛行器的氣動外形，提升其空氣動力學性能，加速新型號的迭代研發，增強我國航空航天產業的全球競爭力，將使我國在國際航空航天領域占據更為有利的地位。
在汽車船舶工業領域，借助量子優化的流體仿真，高效探索數以百萬計的設計參數組合，實現汽車和船舶氣動/水動性能的極致優化。有望將新車、新船的研發周期縮短，促使油耗/排放降低、續航里程提升等顯著經濟效益。這將推動汽車產業向綠色低碳和高性能方向發展，助力船舶工業進一步提升在國際市場的份額，促進我國汽車船舶工業的轉型升級。
在環境工程領域，法國空中客車公司與超導量子計算公司IQM等合作，利用量子計算提升CFD性能，從而優化飛機設計、降低燃油消耗與碳排放等。丹麥開發高分辨率拉格朗日模型（DALM），結合量子算法后可實現污染物擴散動態預警。通過量子計算對污染擴散過程進行快速、準確的模擬，為環境監測和污染防控提供及時、科學的決策依據。這將助力環境工程領域在應對大氣污染等環境問題時更加高效，為我國生態環境保護提供有力的技術支撐。
機遇、挑戰與自主發展路徑
當前，歐美商業CFD軟件（如Ansys Fluent、CFX）占據中國市場份額超90%，我國工業軟件國產化率不足10%。量子計算為我國提供了打破壟斷、實現“彎道超車”的戰略機遇。發展自主可控的量子計算流體力學技術，將有效降低對國外軟件和技術的依賴，提升高端制造業核心競爭力，并保障關鍵領域技術安全與工業體系的自主穩定發展。
盡管前景光明，量子計算在流體力學應用仍面臨理論與技術雙重挑戰。一是理論框架還需“打好地基”。量子流體動力學基礎理論體系、量子——經典混合算法的數學基礎等問題需深入探索。二是硬件還需“練內功”。當前量子計算機（NISQ中等規模階段）尚不成熟，量子比特數量少、相干時間短、錯誤率高，制約了大規模復雜問題求解能力。三是算法離工程化有“最后一公里”。算法的可擴展性、容錯性及實際工程接口設計均需重大突破。四是復合型人才稀缺。既懂量子計算又精通流體力學尖端問題的跨學科人才嚴重不足，培養速度遠遠跟不上技術發展需求。
為鞏固我國來之不易的先發優勢、搶占戰略制高點，建議采取以下關鍵舉措。
建設國家級協同創新平臺。集聚合肥、北京、上海等地的優勢科研力量，成立國家量子流體力學重點實驗室或創新中心。優先向流體力學領域開放“本源悟空”等國家自主量子算力平臺，集中資源開展核心算法、軟件框架與工程化驗證的聯合攻關。打破部門和地域限制，形成協同創新的合力，加速量子計算在流體力學領域的技術突破和應用推廣。這樣的平臺建設將匯聚各方優勢資源，為量子計算與流體力學的深度融合提供堅實的物質基礎和科研環境。
強化基礎研究與核心技術攻關。設立量子計算流體力學國家專項基金，重點支持量子——經典混合算法、高效量子態制備與測量、面向流體問題的專用量子硬件以及誤差緩解等底層技術的研發。同時，鼓勵頂尖高校設立量子流體力學交叉學科，加強跨學科人才培養，制定相關專業課程體系和培養方案，為該領域源源不斷輸送高素質復合型人才。
加速產業融合與應用示范。在國產大飛機、第四代核電站等國家重大工程以及新能源汽車、船舶制造、清潔能源等優勢產業中，設立量子計算流體力學（QCFD）應用示范項目。以實際工程需求為牽引，推動量子計算技術與產業應用的深度融合。建立“產學研用”緊密協同機制，促進龍頭企業與量子計算團隊深度合作，將前沿算法快速轉化為實際的工程設計力和生產力。
積極參與全球治理與標準制定。在堅持核心技術自主可控的前提下，積極參與量子計算流體力學國際標準、基準測試等制定工作。支持國內科研團隊和專家主導國際會議與期刊，提升我國在該領域的學術影響力和國際話語權。通過參與國際合作與交流，推動形成開放、包容、互利共贏的量子計算流體力學國際合作生態。
（作者系中國科學技術大學教授，安徽省量子計算工程研究中心主任）
本文鏈接：超越“不可能三角”：量子計算在流體力學領域的應用http://m.sq15.cn/show-11-23394-0.html
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