Fugu-MT 論文翻訳(概要): Surrogate Quantum Circuit Design for the Lattice Boltzmann Collision Operator

論文の概要: Surrogate Quantum Circuit Design for the Lattice Boltzmann Collision Operator

arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.12256v1
Date: Wed, 16 Jul 2025 14:02:01 GMT
ステータス: 翻訳完了
システム内更新日: 2025-07-17 19:00:11.421365
Title: Surrogate Quantum Circuit Design for the Lattice Boltzmann Collision Operator
Title（参考訳）: 格子ボルツマン衝突演算子のサロゲート量子回路設計
Authors: Monica Lăcătuş, Matthias Möller,
Abstract要約: 高レイノルズ数での乱流の直接数値シミュレーションは、従来の計算流体力学(CFD)ツールにとって大きな課題である。 1つの有望な量子CFDアプローチは、QLBMと呼ばれる格子ボルツマン法を完全に量子化したものである。本稿では,D2Q9格子に対するBGK(Bhatnagar Gross Krook)の完全な衝突演算子を近似したサロゲート量子回路(SQC)の学習フレームワークを提案する。
参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: Direct numerical simulation of turbulent flows at high Reynolds numbers remains a major challenge for traditional computational fluid dynamics (CFD) tools running on classical computer hardware. This has motivated growing interest in quantum algorithms for CFD to enable flow simulations on quantum computers. The reason being that these computers are expected to deliver potential speed-ups for certain problems. One promising quantum CFD approach is a fully quantum implementation of the lattice Boltzmann method called QLBM. Although efficient quantum routines are now available for the streaming step, implementing the nonlinear, irreversible collision step with a low depth circuit that avoids additional ancilla qubits, probabilistic post-selection and repeated executions remains a significant challenge. In this study, we address this challenge by introducing a framework for learning a surrogate quantum circuit (SQC) that approximates the full Bhatnagar Gross Krook (BGK) collision operator for the D2Q9 lattice. The four qubit circuit is trained to respect the physical properties of the BGK collision operator, including mass and momentum conservation, D8 equivariance and scale equivariance. When compiled to the gate set used by IBM Heron processor under the assumption of full qubit connectivity, the 15 block SQC requires only 2,430 native gates and uses neither ancilla qubits nor post-selection or repeated executions. Moreover, its depth is independent of the grid resolution, as collision is a local operation that can exploit quantum parallelism to its full extent. We validate the SQC on two benchmark flows, the Taylor Green vortex decay and the lid driven cavity, demonstrating that it accurately captures vortex dissipation and flow recirculation.
Abstract（参考訳）: 高レイノルズ数での乱流の直接数値シミュレーションは、古典的コンピュータハードウェア上で動作する従来の計算流体力学(CFD)ツールにとって大きな課題である。これによりCFDの量子アルゴリズムへの関心が高まり、量子コンピュータ上でのフローシミュレーションが可能になった。理由は、これらのコンピュータが特定の問題に対して潜在的なスピードアップをもたらすことが期待されているからである。 1つの有望な量子CFDアプローチは、QLBMと呼ばれる格子ボルツマン法を完全に量子化したものである。効率的な量子ルーチンがストリーミングステップで利用可能になったが、追加のアンシラ量子ビットや確率的ポストセレクション、繰り返し実行を避ける低深さ回路で非線形で不可逆的な衝突ステップを実装することは大きな課題である。本研究では,D2Q9格子に対する Bhatnagar Gross Krook (BGK) の完全な衝突演算子を近似したサロゲート量子回路(SQC)を学習するためのフレームワークを導入することで,この問題に対処する。 4量子回路は、質量と運動量保存、D8の等値、スケールの等値を含むBGK衝突作用素の物理的特性を尊重するように訓練されている。フルキュービット接続を前提としてIBM Heronプロセッサが使用するゲートセットにコンパイルすると、15ブロックのSQCは2,430個のネイティブゲートしか必要とせず、アンシラキュービットもポストセレクションも繰り返し実行も使用しない。さらに、その深さは格子分解能とは独立であり、衝突は、その全範囲にわたって量子並列性を活用できる局所的な作用である。そこで我々は,SQCをテイラー・グリーン渦崩壊と蓋駆動キャビティの2つのベンチマークフローで検証し,渦散逸と流量再循環を正確に捉えることを実証した。

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