論文の概要: Benchmarking One-Dimensional Quantum Lattice Boltzmann Methods on Quantum Hardware
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.40851v1
- Date: Thu, 29 Oct 2026 18:32:18 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-11-02 22:05:31.470287
- Title: Benchmarking One-Dimensional Quantum Lattice Boltzmann Methods on Quantum Hardware
- Title（参考訳）: 量子ハードウェアにおける1次元量子格子ボルツマン法のベンチマーク
- Abstract要約: 量子格子ボルツマン法(QLBM)は流体力学問題の解法として提案されている。
本研究では,3種類のIBM Quantumハードウェア上で1次元QLBM実装のベンチマークを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Classical computational fluid dynamics (CFD) methods encounter significant computational bottlenecks in large systems and at high Reynolds number flows due to the rapid increase in degrees of freedom, even on flagship supercomputers. As quantum computers emerge, the Quantum Lattice Boltzmann Method (QLBM) has been proposed as a quantum-native alternative for solving fluid dynamics problems. However, until recently, nearly all studies have relied on classical quantum simulators rather than real quantum hardware. This study presents a benchmark of a one-dimensional QLBM implementation executed on three different IBM Quantum hardware. We design and test a quantum circuit for the advection-diffusion equation using amplitude encoding, a Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)-type collision operator, and a streaming step with periodic boundary conditions. Our numerical experiments evaluate transpiled two-qubit gate count, total circuit depth, runtime, and accuracy metrics including maximum absolute error ($L_\infty$ norm) and root-mean-square error (RMSE). We find that the present collision and streaming operators dominate the overall cost and become the primary scalability bottleneck on current hardware. To mitigate the prohibitive cost of full quantum state tomography on hardware-based benchmarking exercises, we introduce a sampler-based measurement strategy that reconstructs macroscopic density fields directly from computational-basis measurements. This approach substantially reduces measurement overhead while preserving the expected advection-diffusion dynamics on hardware. These results provide a quantitative assessment of QLBM performance in the noisy intermediate-scale quantum (NISQ) regime and identify the principal algorithmic and experimental limitations that must be addressed for QLBM to become viable for fluid dynamics.
- Abstract（参考訳）: 古典計算流体力学(CFD)法は, フラッグシップスーパーコンピュータにおいても, 自由度の急激な増大により, 大規模システムや高レイノルズ数フローにおいて重要な計算ボトルネックに遭遇する。
量子コンピュータが出現するにつれて、量子格子ボルツマン法(QLBM)が流体力学問題の解法として提案されている。
しかし、最近まで、ほとんどの研究は、実際の量子ハードウェアではなく古典的な量子シミュレータに依存してきた。
本研究では,3種類のIBM Quantumハードウェア上で1次元QLBM実装のベンチマークを示す。
本研究では, 振幅符号化, Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) 型衝突演算子, 周期境界条件付きストリーミングステップを用いた対流拡散方程式の量子回路の設計と試験を行う。
数値実験により,最大絶対誤差 (L_\infty$ norm) とルート平均二乗誤差 (RMSE) を含む2量子ゲート数, 総回路深さ, 実行時間, 精度の測定値について検討した。
現在の衝突とストリーミングのオペレーターが全体のコストを支配し、現在のハードウェアにおける主要なスケーラビリティのボトルネックになっていることが分かりました。
ハードウェアベースのベンチマーク演習における完全量子状態トモグラフィーの禁止コストを軽減するため、計算基底測定から直接マクロ密度場を再構成するサンプルベース測定戦略を導入する。
このアプローチは、ハードウェア上で期待される対流拡散ダイナミクスを保ちながら、測定オーバーヘッドを大幅に削減する。
これらの結果は、ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)システムにおけるQLBMの性能を定量的に評価し、QLBMが流体力学に有効となるためには、主要なアルゴリズム的および実験的制限を特定する。
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