Schnelle Simulationen durch Einsatz von Quantencomputern
Im Projekt ToQuaFlics wird untersucht, wie Strömung um Flugzeuge mit Quantencomputern effizienter und schneller als mit klassischen Supercomputern simuliert werden kann und welche Anforderungen die Hardware dafür erfüllen muss.
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Ein zentraler Bestandteil für die Digitalisierung der Luftfahrt im DLR ist das virtuelle Produkt. Es zielt darauf ab, Luftfahrzeuge umfassend im Computer zu simulieren und zu entwerfen. Das Thema umfasst dabei nahezu alle Aspekte des Lebenszyklus eines Flugzeugs. Die Umsetzung des Konzepts ermöglicht eine signifikante Kostenreduktion und eine effiziente Auslegung neuer Flugzeuge bzw. Flugzeugkonfigurationen und auch die Integration neuer Antriebskonzepte einhergehend mit einer Lärmreduktion. Dies sind notwendige Schritte bei der Entwicklung neuer Flugzeuge, um die gesellschaftlichen Anforderungen und die ambitionierten Klimaziele erreichen zu können.
Um die Eigenschaften eines neuen Flugzeugs möglichst früh in der Entwicklung beurteilen zu können, sind sehr viele Computersimulationen nötig, die auch auf heutigen Hochleistungsrechnern kaum durchführbar sind. Die Simulationen der verschiedenen Flugzustände beruhen auf dem Lösen komplexer mathematischer Gleichungen, die die Wechselwirkung zwischen der umgebenden Luft und dem Luftfahrzeug beschreiben. Klassisch werden diese Gleichungen in einer Näherungsform numerisch approximiert und auf immer feiner unterteilten Rechengittern gelöst. Eine Simulation wird teurer, je feiner das Strömungsgebiet unterteilt ist.
Ziel des vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik geleiteten Projekts „Towards Quantum Fluid Dynamics“ ist es daher zu untersuchen, ob und wie das Potenzial von Quantencomputern genutzt werden kann, um die Digitalisierung in der Luftfahrt im DLR weiterzuentwickeln, um die Art und Weise wie Flugzeuge künftig entworfen, gebaut und betrieben werden, effizienter zu gestalten als heute. Im Rahmen des Projekts ist geplant zu untersuchen, inwieweit und mit welchen Methoden verschiedene Transportgleichungen (z.B. Euler- und Navier-Stokes-Gleichungen oder auch Lattice-Boltzmann-Verfahren) perspektivisch auf Quantencomputern gelöst werden können. Verbunden mit verschiedenen algorithmischen Ansätzen werden unterschiedliche Hardware-Architekturen für Quantencomputer untersucht. Zur Beurteilung der verschiedenen Gesamtkonzepte werden Quantensimulatoren eingesetzt oder – sofern eine realistische Option besteht – darüber hinaus auch ein Quantencomputer.
Die Arbeiten des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik konzentrieren sich auf Methoden des maschinellen Lernens und quanteninspirierte Algorithmen zur Lösung partieller Differentialgleichungen aus dem Bereich der Strömungsphysik.
