研究背景：渦旋廣泛存在于大氣湍流、海洋環流、等離子體、微流控系統以及生物群體運動等自然和工程流動中，渦旋之間的相互作用對流體的能量傳輸、動量交換以及湍流級聯過程具有重要影響。然而，傳統數值方法在精確模擬渦旋相互作用時面臨挑戰，主要原因是同時捕捉流動中的細微結構和長時間演化通常需要極高的時空分辨率，這導致經典模擬難以承受的計算開銷。本研究計劃借助量子計算的指數級加速潛力，發展與當前噪聲中等規模量子（NISQ）硬件兼容的流體力學量子計算方法。具體來說，本研究采用拉格朗日渦方法進行量子編碼，重點關注渦旋本身而非整個空間網格，通過將渦旋系統轉化為適合量子演化的形式，利用空間量子比特編碼渦旋狀態，并通過時間量子比特并行編碼多個時間步，從而在一個量子線路中實現多時刻的演化，并在真實的超導量子芯片上成功模擬了多渦相互作用。
圖1：使用超導量子芯片實現渦旋相互作用的示意圖。
研究方法：本研究提出了量子渦方法（見圖1），首先從Navier–Stokes方程出發，采用渦元離散渦量場，將每個渦元映射為復變量，并構建歸一化波函數，將原本的流體動力學問題轉化為薛定諤方程的量子演化問題。由于多渦相互作用的非線性特性，研究采用了數據驅動策略，通過經典方法生成渦系統在不同時間點的狀態數據，并利用這些數據訓練一個參數化的有效哈密頓量，從而構建適用于不同時間跨度的量子演化算符。此外，研究提出了一種時空聯合編碼方法，通過空間量子比特編碼渦元的空間信息，利用Hadamard門制備時間量子比特的均勻疊加態，控制不同演化模塊作用于空間量子比特，從而在一個量子線路中并行處理多個時間步的信息。該設計使得量子線路的復雜度與時間步數呈對數關系增長，而不是線性增長。實驗部分使用了可調頻的超導量子比特對流場進行編碼，并采用量子態層析和投影測量方法恢復每個時間步的空間態，從而重建渦元的軌跡及其對應的流場。
結果展示：成功實現了多個渦元相互作用系統的量子真機模擬，重現了經典流體中的蛙跳渦環現象。實驗中，使用2個空間量子比特編碼4個渦元，6個時間量子比特表示64個時間步，實驗結果表明各時間步的態保真度超過97%，渦粒子軌跡與理想無噪聲模擬高度吻合，成功再現了兩個渦環交替穿越的結構。隨后，作者通過數值測試模擬了8渦旋系統的演化，驗證了該方法的魯棒性。此外，還驗證了該方法對于黏性渦系統的可拓展性。量子渦方法的優勢在于通過時間并行編碼減少狀態制備，且線路復雜度近隨時間步數對數增長。但目前該方法仍面臨小尺度物理過程和渦分裂等拓撲變化尚未完全解決的局限，需要進一步研究。
該研究以《Simulating fluid vortex interactions on a superconducting quantum processor》為題，發表在綜合性期刊 Nature Communications。浙江大學航空航天學院研究生王紫騰與浙江大學物理學院研究生鐘佳潤為共同第一作者，浙江大學航空航天學院熊詩穎研究員和浙江大學物理學院宋超研究員擔任共同通訊作者，研究的合作者還包括北京大學力學與工程科學學院趙耀民研究員和楊越教授等。本研究工作得到了國家重點研發計劃項目（編號：2023YFB4502600）及國家自然科學基金項目（編號：12302294,12432010,和12525201）的資助支持。
原文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69168-8