基于量子计算机的海洋环流模拟算法  

作　　者：尚瑞敏 王志敏 史尚尚 李嘉鑫 李亚男[1] 顾永建[1] 

机构地区：[1]中国海洋大学物理与光电工程学院,青岛266100

出　　处：《中国科学：地球科学》2023年第10期2288-2299,共12页Scientia Sinica(Terrae)

基　　金：国家自然科学基金项目(批准号:12005212);山东省自然科学基金项目(编号:ZR2021ZD19)资助。

摘　　要：对海洋环流进行准确且高效的模拟是海洋科学的一个基本任务,也是一个众所周知的难点,因为它涉及求解多变量的非线性偏微分方程组.本文首次提出一种基于量子计算机的海洋环流模拟算法,可以提供指数级的量子算力加速.本文算法从海洋动力学原始方程出发,经过空间和时间离散化得到若干具有稀疏系数矩阵的线性方程组,然后利用变分量子线性方程求解器求解,从而使算法更容易在近期量子计算机上运行.这一算法属于量子-经典混合算法,为此我们发展了一套基于量子存储器和l∞范数态层析的数据流控制方案,以完成量子计算机与经典计算机之间的数据交互.我们在MATLAB、量子虚拟机和真实量子计算机等多种计算平台上验证了算法的有效性,并讨论了测量次数和量子门噪声等因素对算法输出结果准确性的影响.结果表明,误差缓解技术可以有效提高输出解的精度.我们的算法是利用量子计算机模拟海洋环流这一挑战性问题的一个重要进展,随着量子计算科技的迅速发展,它有望在不久的将来获得应用,从而有力地促进海洋科学的发展.

关 键 词：海洋环流 海洋动力学方程 线性方程组 变分量子线性求解器 误差缓解技术 

分 类 号：P731.27[天文地球—海洋科学] TP38[自动化与计算机技术—计算机系统结构]