研究背景：涡旋广泛存在于大气湍流、海洋环流、等离子体、微流控系统以及生物群体运动等自然和工程流动中，涡旋之间的相互作用对流体的能量传输、动量交换以及湍流级联过程具有重要影响。然而，传统数值方法在精确模拟涡旋相互作用时面临挑战，主要原因是同时捕捉流动中的细微结构和长时间演化通常需要极高的时空分辨率，这导致经典模拟难以承受的计算开销。本研究计划借助量子计算的指数级加速潜力，发展与当前噪声中等规模量子（NISQ）硬件兼容的流体力学量子计算方法。具体来说，本研究采用拉格朗日涡方法进行量子编码，重点关注涡旋本身而非整个空间网格，通过将涡旋系统转化为适合量子演化的形式，利用空间量子比特编码涡旋状态，并通过时间量子比特并行编码多个时间步，从而在一个量子线路中实现多时刻的演化，并在真实的超导量子芯片上成功模拟了多涡相互作用。
图1：使用超导量子芯片实现涡旋相互作用的示意图。
研究方法：本研究提出了量子涡方法（见图1），首先从Navier–Stokes方程出发，采用涡元离散涡量场，将每个涡元映射为复变量，并构建归一化波函数，将原本的流体动力学问题转化为薛定谔方程的量子演化问题。由于多涡相互作用的非线性特性，研究采用了数据驱动策略，通过经典方法生成涡系统在不同时间点的状态数据，并利用这些数据训练一个参数化的有效哈密顿量，从而构建适用于不同时间跨度的量子演化算符。此外，研究提出了一种时空联合编码方法，通过空间量子比特编码涡元的空间信息，利用Hadamard门制备时间量子比特的均匀叠加态，控制不同演化模块作用于空间量子比特，从而在一个量子线路中并行处理多个时间步的信息。该设计使得量子线路的复杂度与时间步数呈对数关系增长，而不是线性增长。实验部分使用了可调频的超导量子比特对流场进行编码，并采用量子态层析和投影测量方法恢复每个时间步的空间态，从而重建涡元的轨迹及其对应的流场。
结果展示：成功实现了多个涡元相互作用系统的量子真机模拟，重现了经典流体中的蛙跳涡环现象。实验中，使用2个空间量子比特编码4个涡元，6个时间量子比特表示64个时间步，实验结果表明各时间步的态保真度超过97%，涡粒子轨迹与理想无噪声模拟高度吻合，成功再现了两个涡环交替穿越的结构。随后，作者通过数值测试模拟了8涡旋系统的演化，验证了该方法的鲁棒性。此外，还验证了该方法对于黏性涡系统的可拓展性。量子涡方法的优势在于通过时间并行编码减少状态制备，且线路复杂度近随时间步数对数增长。但目前该方法仍面临小尺度物理过程和涡分裂等拓扑变化尚未完全解决的局限，需要进一步研究。
该研究以《Simulating fluid vortex interactions on a superconducting quantum processor》为题，发表在综合性期刊 Nature Communications。浙江大学航空航天学院研究生王紫腾与浙江大学物理学院研究生钟佳润为共同第一作者，浙江大学航空航天学院熊诗颖研究员和浙江大学物理学院宋超研究员担任共同通讯作者，研究的合作者还包括北京大学力学与工程科学学院赵耀民研究员和杨越教授等。本研究工作得到了国家重点研发计划项目（编号：2023YFB4502600）及国家自然科学基金项目（编号：12302294,12432010,和12525201）的资助支持。
原文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69168-8