Tiedemiehet tekevät läpimurtoa nesteiden turbulenssimallien ja -rakenteiden ymmärtämisessä

Tiedemiehet ovat ottaneet merkittävän harppauksen eteenpäin ymmärtäessään turbulenssia, kaoottista ilmiötä, joka havaitaan luonnollisissa järjestelmissä, kuten liikkuvassa vedessä, merivirroissa, verenkierrossa ja jopa myrskypilvissä.

Yli 200 vuoden ajan fyysikot ovat kamppailleet simuloidakseen ja ennustaakseen tarkasti turbulenssia, johon liittyy monimutkaisia ​​nesteen liikkeitä, jotka muodostavat suuria pyörteitä, jotka hajoavat pienemmiksi pyörteiksi.

Kvanttilaskennan inspiroima uusi menetelmä voisi kuitenkin muuttaa tämän.

Kvantti-inspiroitu lähestymistapa monimutkaisen nestekäyttäytymisen ymmärtämiseen

Science Advancesissa 29. tammikuuta julkaistussa tutkimuksessa kansainvälinen tutkijaryhmä paljasti uudenlaisen lähestymistavan turbulenssin simuloimiseen, jossa hyödynnetään kvanttilaskentaperiaatteita.

Tämä läpimurto on ratkaisevan tärkeä, koska turbulenttien virtausten tarkalla mallintamisella voi olla laajakantoisia etuja lentokoneiden ja autojen suunnittelun parantamisesta sääennusteen parantamiseen ja jopa lääketieteellisten laitteiden, kuten tekosydämien, kehittämiseen.

Tutkimuksen johtava kirjoittaja, Oxfordin yliopiston fyysikko Nik Gourianov selitti, että vaikka perinteiset turbulenssisimulaatiot perustuvat deterministisiin menetelmiin – mikä tarkoittaa, että tietyissä olosuhteissa ne tuottavat aina saman tuloksen – uudessa tutkimuksessa otetaan käyttöön todennäköisyyspohjainen lähestymistapa.

Mikä erottaa tämän työn muista

Tämä menetelmä ottaa huomioon turbulenttien virtausten luonnolliset vaihtelut ja satunnaiset vaihtelut.

Tämän työn erottaa toisistaan ​​kvanttilaskennan inspiroimien algoritmien käyttö.

Kvanttitietokoneet käsittelevät tietoa tavoista, jotka eroavat klassisista tietokoneista.

Kun perinteiset tietokoneet käyttävät bittejä (joko 0 tai 1), kvanttitietokoneet käyttävät kvanttibittejä tai kubitteja , jotka voivat esiintyä useissa tiloissa samanaikaisesti.

Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden simuloida turbulenssia murto-osassa ajasta, joka normaalisti kestää supertietokoneella.

Tutkimusryhmä pystyi suorittamaan simulaatioita tunneissa, jotka olisivat kestäneet päiviä käyttämällä klassisia algoritmeja.

Princetonin yliopiston tohtoritutkija James Beattie ylisti uutta menetelmää sen kyvystä vähentää muistin käyttöä ja nopeuttaa laskentaa merkittävästi.

Tämä edistys on erityisen tärkeä nestesimulaatioissa, joihin voi liittyä monimutkaisia ​​muuttujia.

Beattie huomautti, että tiimin lähestymistapa voisi saada tällaiset simulaatiot toimimaan helpommin käytettävillä laitteistoilla, jopa kannettavalla tietokoneella.

Tästä edistymisestä huolimatta tutkimuksen tekijät myöntävät, että paljastettavaa on vielä paljon.

Turbulenssin simuloinnin haaste on sen monimuotoisuus, mikä tarkoittaa, että pyörteiset virtaukset voivat kattaa valtavan kokoluokan mikroskooppisista mittakaavista valtaviin kosmisiin ilmiöihin.

Näiden vaihtelevien asteikkojen tarkka mallintaminen yhdessä simulaatiossa on edelleen vaikea ongelma, joka vaatii huomattavaa muistia ja laskentaa.

Beattie korosti, että eri asteikkojen vuorovaikutuksen ymmärtäminen on välttämätöntä turbulenssipulman ratkaisemiseksi.

Gourianovin tiimi on saavuttanut vaikuttavia harppauksia, mutta asiantuntijat ovat yhtä mieltä siitä, että turbulenssiongelman ratkaiseminen ei ole läheskään valmis.

Vaikka tämä uusi lähestymistapa vähentää merkittävästi laskennan monimutkaisuutta, se ei täysin käsittele sitä, kuinka erikokoiset pyörteet pyörteissä virtauksissa liittyvät toisiinsa.

Seuraava askel turbulenssitutkimuksessa on kehittää uusia algoritmeja ja laskentajärjestelmiä, jotka pystyvät käsittelemään näitä haasteita tehokkaammin.

Turbulenssia on pitkään pidetty yhtenä fysiikan vaikeimmista ongelmista.

Vuosikymmenten tutkimuksesta huolimatta täydellinen ratkaisu on edelleen ulottumattomissa.

Gourianovin ja hänen tiiminsä viimeisimmät havainnot tuovat meidät kuitenkin askeleen lähemmäksi turbulenssin monimutkaisuuden purkamista.