流體動力學是物理學中最具挑戰(zhàn)性的領域之一。其研究需采用各種數學分析方法，并建立大型、精密的實驗設備和儀器等研究方法。研究方向包括高超聲速空氣動力學、超音速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學、兩相（氣液或氣固）流等分支。這些研究不僅有助于流體微觀性質、理論特性等研究，還對新材料發(fā)現、爆炸波理論等發(fā)展具有促進作用，從而加快國家航空航天、國家安全等事業(yè)的發(fā)展。

當下量子計算的發(fā)展推動了流體力學的研究。近期，國際學術期刊《Science》發(fā)表了題為《在長程量子磁體中觀測新興的流體動力學》的論文。該論文描述了在離子阱中囚禁51個可單獨操縱的40Ca+離子，實現了通過離子鏈自旋的長程相互作用在原子層面上觀測到新興的流體動力學現象。據了解，這是國際上首次利用離子阱系統(tǒng)實現對流體動力學的模擬研究，為探索流體動力學和量子物質非平衡態(tài)的普遍特性打開了道路。論文的科研團隊來自奧地利科學院量子光學和量子信息研究所（IQOQI）、因斯布魯克大學以及奧地利Alpine Quantum Technologies（AQT）等單位。

離子阱技術助力流體動力學模擬

科研團隊通過測量無限溫度狀態(tài)下的時空分辨關聯函數成功觀測到了從正常擴散到反常超擴散的流體動力學普適性。此外，他們通過提取流體力學理論的輸運系數來反映系統(tǒng)的微觀性質。最終其研究表明離子阱量子計算機可用于探索量子物質非平衡態(tài)的普適性質。

圖：長程量子磁體的層展流體動力學

此次實驗所使用的量子模擬器是由奧地利科學院量子光學和量子信息研究所搭建的囚禁離子系統(tǒng)，其研究人員在2021年搭建了一個緊湊型離子阱量子計算機的原型機。

離子阱量子計算是利用激光驅動下量子比特與離子鏈集體振動模式的耦合實現比特間的糾纏，在量子比特的相干時間、量子操作的保真度、量子比特的連接性和糾纏的規(guī)模等方面具有明顯優(yōu)勢。大多數離子阱實驗都使用傳輸操作來實現加載、單獨檢測和單獨尋址。離子阱設計和電勢控制的進步帶來離子操控的改進，例如快速穿梭、快速離子分離、光學相位控制、連接傳輸和離子鏈旋轉等。

此次實驗參與者慕尼黑工業(yè)大學教授 Michael Knap 表示，“雖然量子比特的數量和量子態(tài)的穩(wěn)定性目前非常有限，但我們今天已經可以利用量子模擬器的巨大計算能力來解決一些問題。在不久的將來，量子模擬器和量子計算機將成為研究復雜量子系統(tǒng)動力學的理想平臺?！?/p>

量子計算作為一項前沿顛覆性技術，已經成為全球各國關注的焦點。多種技術路線在量子比特實現方面均已取得突破，其中離子阱技術更是呈現加速發(fā)展態(tài)勢。近年來，離子阱技術在物理比特數量、量子體積指標等方面不斷實現突破，并在金融、藥物、網絡安全等領域開展了量子計算應用探索。目前，霍尼韋爾、IonQ 、牛津大學、悉尼大學、中科院、啟科量子等相關研究團隊正采用離子阱技術開展量子計算研究工作。

此次實驗的成功標志著離子阱量子計算機對流體力學的探索具有深遠意義，同時也對國內外從事離子阱技術研究的機構及企業(yè)起到很好的激勵作用。未來，隨著離子阱技術的迭代與優(yōu)化，將應用于流體動力學等更多領域，從而加快量子計算的產業(yè)化落地步伐。