面对同一个 Navier-Stokes 方程,量子 CFD 社区演化出六条互不相同的技术路线:把方程离散成线性系统去求逆、把非线性升维后做酉演化、用变分线路绕开读出、借格子玻尔兹曼的结构分工、让机器学习模型学流场、或干脆用量子多体硬件直接模拟。本词条给出六派谱系与"输入/输出/资源/NISQ 适配"画像,并与 Tennie 等、Amaral 等两篇综述的分类框架交叉对照。

六大流派谱系

① 线性系统派——最直觉的路线:把 PDE 离散化(FD/FEM/FVM)成 ,交给量子线性求解器。Cao 等的泊松求解器Cao et al. 2013 (NJP)、Montanaro-Pallister 的有限元装配+HHLMontanaro & Pallister 2016 (PRA)、Clader 的预条件分析Clader et al. 2013 (PRL)是早期三块基石;工程化续作是本源量子的 QLAS 库(HHL/VQLS 作为可插拔线性后端)Ye et al. 2024 (PoF)与 Williams 等的量子迭代法(Jacobi/Gauss-Seidel,反对”整体求逆”的 CFD 直觉)Williams et al. 2024 (arXiv)。入口词条:quantum-poisson-solver、quantum-fem、quantum-iterative-methods。

② 演化模拟派——不做空间离散后的”求逆”,而是把(线性化后的)演化本身编成酉算子:Carleman 嵌入把二次非线性抬升为无穷维线性系统再截断Liu et al. 2021 (PNAS);Schrödinger 化用 warped phase 变换把非酉线性 PDE 变成薛定谔方程Jin et al. 2024 (PRL);Koopman-von Neumann 嵌入走概率密度泛函路线;底层内核是稀疏哈密顿量模拟与线性 ODE 量子算法Berry et al. 2017 (CMP)。入口词条:nonlinear-pde-quantum、carleman-linearization、schrodingerization、koopman-quantum。

③ 变分派——参数化浅线路+经典优化器,输出存进经典参数从而绕开量子存储与读出:Lubasch-Jaksch 的 QNPU 用多副本变分态直接算非线性泛函Lubasch et al. 2020 (PRA);Jaksch 等把 VQCFS 定位为”物理内禀的降阶模型”,宣称至少多项式优于经典Jaksch et al. 2023 (AIAA J)。入口词条:variational-pde-solver、quantum-pinn。

④ 格子玻尔兹曼派——独享的结构红利:流送沿直线移位、天然酉(组合块对角合法),碰撞局域、非线性可用 Carleman 线性化,于是”一半免费、一半天堑”。从 Yepez 量子格子气、Budinski 显式线路到 Carleman-LB、QALB,是文献最密集的单支。入口词条:quantum-lbm-overview、budinski-qlbm、carleman-qlbm、quantum-lattice-gas。

⑤ 数据驱动派——量子机器学习与流体结合:量子 PINN、量子核方法、生成模型、储备池计算、量子增强 MCMC,以及”量子启发”的张量网络(Gourianov 系:MPS 在湍流亚格子混合区已产生数个量级的经典收益)。入口词条:qml-cfd-landscape、tensor-network-fluids、quantum-reservoir-computing。

⑥ 硬件模拟派(QQ 象限)——不做门模型计算,用可控量子多体系统直接扮演流体:BEC/超流上的量子湍流、光子模拟器、模拟量子演化。它跨越四象限里 QQ 与 QC 的边界(见four-quadrants),入口词条:quantum-turbulence-simulation。

画像表

流派输入侧输出侧资源画像NISQ 适配主要风险
① 线性系统稀疏矩阵块编码+右端项态制备解在振幅里,读 QoI 需内积/层析容错级深度(相位估计), 多项式罚低(VQLS 变体除外)I/O 与条件数吞掉对数优势
② 演化模拟编码初值;Carleman 变量组合爆炸末端单次读出(可多步不测量)门数对格点 polylog、对时间 级低-中Carleman 收敛阈值、 深度
③ 变分角度编码/多网格编码(便宜)标量代价+经典参数(便宜)浅线路、少量比特高贫瘠高原、精度未达 CFD 标准
④ 量子 LBM分布函数振幅编码宏观矩/流场统计流送固定深度;碰撞是深度瓶颈中(单步方案已到 6 比特)碰撞非酉+流送耦合不可编译
⑤ 数据驱动数据集本身(编码即瓶颈)学习到的模型/统计量因任务而异高(QNPU/QPINN 均浅)“量子部分”可能被经典 ML 平替
⑥ 硬件模拟物理初态制备平台可观测量无门编译负担高(模拟器本身就是硬件)可控性、读出、通用性受限

与综述分类框架的交叉

  • Tennie 等(Nat. Rev. Phys.)按”如何处理非线性”三分类:混合经典-量子(≈③)、平均场量子求解器(非线性薛定谔型的演化)、线性化类(≈①②④的公共内核),并给出”算法×硬件”配对建议——变分法配超导(短深快速门)、平均场配俘获离子(长相干全连接)、线性化配中性原子(大规模模拟演化)Tennie et al. 2024 (Nat. Rev. Phys.):
非线性求解器与硬件平台的配对建议
图:Tennie 等综述的"非线性求解器↔硬件平台"配对建议——变分类配超导、演化模拟类配俘获离子/中性原子(来源:QC009)
  • Amaral 等(2025 综述)覆盖本表⑤的三大板块:VQA(代价函数设计、多网格编码、MPS 型 ansatz)、量子 PINN(四条实现路径)、量子启发张量网络(四步流水线:离散化→张量化→时间演化→解码),判断”完全量子的湍流研究在 NISQ 时代不可行,近期最有前景是张量网络+既有数值格式的混合”Amaral et al. 2025 (arXiv)。
  • Sanavio-Succi(QC001 §IV)的四分法(非线性 ODE 求解器/变分本征求解器/泛函方法/Carleman 嵌入)与上表①②③④对应,其”泛函方法”(Liouville 概率密度泛函方程+张量网络闭包)是⑤中张量网络路线的理论源头之一Sanavio & Succi 2024 (IntechOpen)。

谱系之间的流动

流派不是孤岛:④向②借 Carleman(Carleman-LBM),②向①借线性求解器(QALB 用 QLSA 收尾),①向经典数值借迭代与多重网格(quantum-iterative-methods、quantum-multigrid),③与⑤共享编码与测量技术,⑥为②提供硬件归宿。混合量子-经典循环(见hybrid-quantum-classical)则是所有流派在当前硬件上的共同宿命。

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