Учени постигнаха значителен пробив в разбирането на структурата и закономерностите на турбуленцията – природен феномен, наблюдаван в течности като течаща вода, океански течения, химични реакции, кръвния поток, буреносни облаци, димни струи и дори в звездната плазма.
Въпреки че турбулентният поток е хаотичен и непредсказуем, тъй като движението на флуидите предизвиква образуването на вихри, които се разпадат на по-малки, физиците отдавна се опитват да го изучават и моделират чрез математически уравнения и компютърни симулации. Дори с най-модерните суперкомпютри обаче, прякото и точно симулиране на всичко освен най-простите турбулентни потоци остава непостижимо, а пълното разбиране на явлението убягва на учените вече 200 години.
Сега международен екип от учени е разработил нов подход за симулиране на турбуленцията, използвайки метод, вдъхновен от квантовите изчисления.
Способността да се моделира и прогнозира точно този феномен може да има широк спектър от практически приложения в науката и инженерството – от подобряване на дизайна на самолети, автомобили, витла и изкуствени сърца до по-точни прогнози за времето, обяснява водещият автор на изследването Ник Гурианов, изследовател в катедрата по физика в Оксфордския университет.
Повечето досегашни методи за симулиране на турбуленцията разчитат на детерминистичен подход, при който едни и същи начални условия винаги водят до едни и същи резултати, пояснява Гурианов. В новото изследване обаче учените моделират флуктуациите в турбуленцията вероятностно – метод, който отчита случайни вариации.
Екипът прилага алгоритъм, вдъхновен от квантовите изчисления, към турбулентни потоци, което им позволява да изчислят в рамките на няколко часа това, за което на класически алгоритъм биха били необходими няколко дни на цял суперкомпютър.
Квантовите компютри обработват информация по коренно различен начин от класическите компютри. Докато традиционните компютри извършват изчисления с битове – данни, които могат да бъдат само в едно състояние (нула или единица), квантовите компютри използват „кюбити“, които могат да бъдат нули, единици или комбинация от двете. Авторите на изследването използват математически инструмент, наречен „тензорни мрежи“, който може да симулира квантова система.
„Новото изследване е изключително впечатляващо“, казва Йонгсян Хуанг, изследовател по океански и земни науки към университета в Сямен, Китай.
Според Хуанг, който не е участвал в изследването, Гурианов и екипът му са разработили нов метод, който значително намалява използваната памет и изчислителната сложност. Въпреки това той отбелязва, че изследването не дава цялостна картина на турбулентността, тъй като явлението включва широк спектър от мащаби.
Турбуленцията често е наричана „най-старият нерешен проблем във физиката“. Според една популярна история немският теоретичен физик Вернер Хайзенберг е казал на смъртния си одър: „Когато се срещна с Бог, ще му задам два въпроса: „Защо относителността? И защо турбулентността? На първия въпрос вярвам, че ще има отговор.“
Гурианов посочва, че новият метод предлага значителни предимства в изчисленията, отваряйки достъп до области в изследването на турбулентността, които преди това бяха недостижими. Въпреки това, той подчертава, че мистерията на турбулентността далеч не е напълно разгадана – за това ще са необходими съвсем нови алгоритми и изчислителен хардуер, надхвърлящи възможностите на съвременната технология.
Източник: CNN
