Naukowcy dokonali przełomowego odkrycia w zakresie zrozumienia wzorców i struktur turbulencji w płynach

Scientists have made a significant leap forward in understanding turbulence, a chaotic phenomenon observed in natural systems such as moving water, ocean currents, blood flow, and even storm clouds.

Fizycy od ponad 200 lat starają się dokładnie symulować i przewidywać zjawisko turbulencji, które polega na złożonych ruchach płynów tworzących duże wiry, rozpadające się na mniejsze.

Nowa metoda inspirowana komputerami kwantowymi może jednak zmienić tę sytuację.

Podejście inspirowane kwantami do zrozumienia złożonego zachowania płynów

W badaniu opublikowanym 29 stycznia w Science Advances międzynarodowy zespół naukowców przedstawił nową metodę symulacji turbulencji, która wykorzystuje zasady obliczeń kwantowych.

To przełomowe osiągnięcie jest niezwykle ważne, ponieważ dokładne modelowanie przepływów turbulentnych może przynieść szerokie korzyści, od ulepszania konstrukcji samolotów i samochodów, po poprawę prognozowania pogody, a nawet rozwój urządzeń medycznych, takich jak sztuczne serca.

Główny autor badania, Nik Gourianov, fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego, wyjaśnił, że podczas gdy tradycyjne symulacje turbulencji opierają się na metodach deterministycznych (co oznacza, że przy określonych warunkach zawsze dają ten sam wynik), nowe badanie wprowadza podejście probabilistyczne.

Czym wyróżnia się ta praca?

Metoda ta uwzględnia naturalne wahania i losowe zmiany w przepływach turbulentnych.

To, co wyróżnia tę pracę, to wykorzystanie algorytmów inspirowanych komputerami kwantowymi.

Komputery kwantowe przetwarzają informacje w sposób różniący się od komputerów klasycznych.

Podczas gdy tradycyjne komputery wykorzystują bity (0 lub 1), komputery kwantowe wykorzystują kwantowe bity, czyli qubity , które mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie.

Dzięki temu naukowcy mogą symulować zjawiska turbulencji w ułamku czasu, który normalnie zajmowałby superkomputerowi.

Zespół badawczy był w stanie przeprowadzić symulacje w ciągu kilku godzin, podczas gdy przy użyciu klasycznych algorytmów zajęłoby to kilka dni.

James Beattie, badacz postdoctoralny na Uniwersytecie Princeton, pochwalił nową metodę za jej zdolność do znacznego zmniejszenia zużycia pamięci i przyspieszenia obliczeń.

Ten postęp jest szczególnie ważny w przypadku symulacji płynów, które mogą obejmować złożone zmienne.

Beattie zauważył, że podejście zespołu może umożliwić przeprowadzanie takich symulacji na bardziej dostępnym sprzęcie, nawet na laptopie.

Pomimo tych postępów autorzy badania przyznają, że wciąż jest wiele do odkrycia.

Wyzwaniem w symulacji turbulencji jest jej wieloskalowa natura, co oznacza, że przepływy turbulencyjne mogą obejmować ogromny zakres rozmiarów, od skali mikroskopowej po ogromne zjawiska kosmiczne.

Dokładne modelowanie tych różnych skal w jednej symulacji pozostaje trudnym problemem, wymagającym znacznej ilości pamięci i obliczeń.

Beattie podkreślił, że zrozumienie interakcji między różnymi skalami jest niezbędne do rozwiązania zagadki turbulencji.

Zespół Gourianova dokonał imponujących postępów, ale eksperci zgadzają się, że rozwiązanie problemu turbulencji jest dalekie od ukończenia.

Chociaż nowe podejście znacznie zmniejsza złożoność obliczeń, nie rozwiązuje w pełni problemu zależności między wirami o różnej wielkości w przepływach turbulentnych.

Kolejnym krokiem w badaniach nad turbulencjami będzie opracowanie nowych algorytmów i systemów komputerowych, które pozwolą skuteczniej radzić sobie z tymi wyzwaniami.

Turbulencje od dawna uważane są za jeden z najbardziej nieuchwytnych problemów fizyki.

Pomimo dziesięcioleci badań, pełne rozwiązanie pozostaje poza zasięgiem.

Najnowsze odkrycia Gourianova i jego zespołu przybliżają nas jednak o krok do rozwikłania złożoności zjawiska turbulencji.