Wetenschappers maken doorbraak in het begrijpen van turbulentiepatronen en -structuren in vloeistoffen

Wetenschappers hebben een belangrijke stap gezet in het begrijpen van turbulentie, een chaotisch fenomeen dat wordt waargenomen in natuurlijke systemen zoals stromend water, oceaanstromen, bloedcirculatie en zelfs stormwolken.

Al meer dan 200 jaar worstelen natuurkundigen met het nauwkeurig simuleren en voorspellen van turbulentie. Dit houdt in dat complexe vloeistofbewegingen grote draaikolken vormen die uiteenvallen in kleinere kolken.

Een nieuwe methode die is geïnspireerd op quantum computing zou dit echter kunnen veranderen.

Quantum-geïnspireerde aanpak voor het begrijpen van complex vloeistofgedrag

In een studie die op 29 januari in Science Advances werd gepubliceerd, presenteerde een internationaal team van wetenschappers een nieuwe aanpak voor het simuleren van turbulentie, die gebruikmaakt van de principes van quantum computing.

Deze doorbraak is cruciaal, omdat nauwkeurige modellering van turbulente stromen een breed scala aan voordelen kan opleveren, van het verbeteren van vliegtuig- en autoontwerpen tot het verbeteren van weersvoorspellingen en zelfs het ontwikkelen van medische apparaten zoals kunstmatige harten.

De hoofdonderzoeker van de studie, Nik Gourianov, natuurkundige aan de Universiteit van Oxford, legde uit dat traditionele simulaties van turbulentie vertrouwen op deterministische methoden. Dat betekent dat ze, gegeven specifieke omstandigheden, altijd hetzelfde resultaat opleveren. Het nieuwe onderzoek introduceert echter een probabilistische benadering.

Wat dit werk onderscheidt

Deze methode houdt rekening met de natuurlijke schommelingen en willekeurige variaties in turbulente stromen.

Wat dit werk onderscheidt, is het gebruik van op quantum computing geïnspireerde algoritmes.

Quantumcomputers verwerken informatie op een andere manier dan klassieke computers.

Terwijl traditionele computers gebruikmaken van bits (0 of 1), maken quantumcomputers gebruik van quantumbits, of qubits , die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan.

Hierdoor kunnen wetenschappers turbulentie simuleren in een fractie van de tijd die dat normaal gesproken met een supercomputer zou duren.

Het onderzoeksteam kon simulaties uitvoeren in een paar uur, terwijl dit met klassieke algoritmes dagen zou hebben geduurd.

James Beattie, postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University, prees de nieuwe methode omwille van zijn vermogen om het geheugengebruik te verminderen en de berekeningen aanzienlijk te versnellen.

Deze vooruitgang is met name belangrijk voor vloeistofsimulaties, die complexe variabelen kunnen omvatten.

Beattie merkte op dat de aanpak van het team dergelijke simulaties op toegankelijkere hardware kan laten draaien, zelfs op een laptop.

Ondanks deze vooruitgang erkennen de auteurs van het onderzoek dat er nog veel meer te ontdekken valt.

De uitdaging van het simuleren van turbulentie ligt in de multi-schaal aard ervan, wat betekent dat turbulente stromen een enorm scala aan groottes kunnen omvatten, van microscopische schalen tot enorme kosmische verschijnselen.

Het nauwkeurig modelleren van deze verschillende schalen in één simulatie blijft een moeilijk probleem, dat veel geheugen en rekenkracht vereist.

Beattie benadrukte dat het essentieel is om te begrijpen hoe verschillende schalen met elkaar omgaan om het turbulentieprobleem op te lossen.

Het team van Gourianov heeft indrukwekkende vooruitgang geboekt, maar experts zijn het erover eens dat het probleem van de turbulentie nog lang niet is opgelost.

Hoewel deze nieuwe benadering de rekencomplexiteit aanzienlijk vermindert, wordt er niet volledig ingegaan op de relatie tussen verschillende vortexen in turbulente stromen.

De volgende stap in het onderzoek naar turbulentie is het ontwikkelen van nieuwe algoritmes en computersystemen die deze uitdagingen effectiever kunnen aanpakken.

Turbulentie wordt al lang beschouwd als een van de meest ongrijpbare problemen in de natuurkunde.

Ondanks tientallen jaren onderzoek is een volledige oplossing nog steeds niet binnen handbereik.

De nieuwste bevindingen van Gourianov en zijn team brengen ons echter een stap dichter bij het ontrafelen van de complexiteit van turbulentie.