Les scientifiques font une percée dans la compréhension des modèles et des structures de turbulence dans les fluides

Les scientifiques ont fait un pas important vers la compréhension de la turbulence, un phénomène chaotique observé dans des systèmes naturels tels que l'eau en mouvement, les courants océaniques, la circulation sanguine et même les nuages d'orage.

Depuis plus de 200 ans, les physiciens se battent pour simuler et prédire avec précision la turbulence, qui implique des mouvements de fluide complexes formant de grands tourbillons qui se décomposent en plus petits.

Cependant, une nouvelle méthode inspirée de l’informatique quantique pourrait changer cela.

Quantum-Inspired approach for understanding complex fluid behavior

Dans une étude publiée le 29 janvier dans Science Advances, une équipe internationale de scientifiques a dévoilé une nouvelle approche de simulation de la turbulence qui exploite les principes de l'informatique quantique.

Cette avancée est cruciale car la modélisation précise des écoulements turbulents peut avoir des avantages considérables, de l’amélioration des conceptions d’avions et de voitures à l’amélioration des prévisions météorologiques et même à l’avancement des dispositifs médicaux comme les cœurs artificiels.

L'auteur principal de l'étude, Nik Gourianov, physicien à l'Université d'Oxford, a expliqué que si les simulations de turbulence traditionnelles reposent sur des méthodes déterministes - ce qui signifie que, dans des conditions spécifiques, elles produisent toujours le même résultat - la nouvelle recherche introduit une approche probabiliste.

Ce qui distingue ce travail

Cette méthode prend en compte les fluctuations naturelles et les variations aléatoires dans les écoulements turbulents.

Ce qui distingue ce travail, c’est l’utilisation d’algorithmes inspirés de l’informatique quantique.

Les ordinateurs quantiques traitent l'information de manière différente des ordinateurs classiques.

Alors que les ordinateurs traditionnels utilisent des bits (soit 0 soit 1), les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits , qui peuvent exister dans plusieurs états simultanément.

Cela permet aux scientifiques de simuler la turbulence en une fraction du temps qu’il faudrait normalement avec un superordinateur.

L'équipe de recherche a pu réaliser des simulations en quelques heures, ce qui aurait pris des jours en utilisant des algorithmes classiques.

James Beattie, chercheur postdoctoral à l'Université de Princeton, a salué la nouvelle méthode pour sa capacité à réduire considérablement l'utilisation de la mémoire et à accélérer les calculs.

Cette avancée est particulièrement importante pour les simulations de fluides, qui peuvent impliquer des variables complexes.

Beattie a noté que l'approche de l'équipe pourrait permettre à de telles simulations de fonctionner sur du matériel plus accessible, même sur un ordinateur portable.

Malgré ces progrès, les auteurs de l'étude reconnaissent qu'il reste encore beaucoup à découvrir.

Le défi de la simulation de la turbulence réside dans sa nature multi-échelles, ce qui signifie que les écoulements turbulents peuvent couvrir une énorme gamme de tailles, des échelles microscopiques aux vastes phénomènes cosmiques.

Modéliser avec précision ces différentes échelles dans une seule simulation reste un problème difficile, nécessitant une mémoire et des calculs importants.

Beattie a souligné que comprendre comment différentes échelles interagissent est essentiel pour résoudre l’énigme de la turbulence.

L'équipe de Gourianov a fait des progrès impressionnants, mais les experts s'accordent à dire que la résolution du problème de turbulence est loin d'être achevée.

Bien que cette nouvelle approche réduise considérablement la complexité de calcul, elle ne traite pas entièrement de la façon dont les tourbillons de tailles différentes dans les écoulements turbulents se rapportent les uns aux autres.

La prochaine étape de la recherche sur la turbulence consistera à développer de nouveaux algorithmes et systèmes informatiques capables de relever ces défis plus efficacement.

La turbulence est depuis longtemps considérée comme l’un des problèmes les plus insaisissables de la physique.

Malgré des décennies de recherche, une solution complète reste hors de portée.

Cependant, les dernières découvertes de Gourianov et de son équipe nous rapprochent d’un pas de plus de la résolution des complexités de la turbulence.