Utilizzo del calcolo quantistico nella fluidodinamica computazionale

Computational Fluid Dynamics (CFD) consists of the set of techniques and algorithms that allow for the prediction and simulation of fluid behavior using digital computers. The use of digital systems is essential, as the analytical resolution of fluid dynamics equations can be highly complex, if not impossible, as is the case with the Navier-Stokes equations. However, classical CFD is computationally very expensive and therefore requires both vast computing power and a significant amount of time. For this reason, one of the most cutting-edge research fields in this area is the application of quantum computing to computational fluid dynamics analysis, giving rise to QCFD (Quantum Computational Fluid Dynamics). This has the potential to significantly accelerate simulations by leveraging the ability of quantum computers to use qubits instead of the bits used in traditional computers. In this discussion, following a brief introduction to the basic concepts of CFD and quantum computing, the intention is to cover the various QCFD methods. This will range from the current state of the art to the most advanced methods still in the research phase, with a focus on current limitations, development prospects, and future applications.

La fluidodinamica computazionale (CFD), è costituita dall’insieme delle tecniche e algoritmi che permettono di prevedere e simulare il comportamento di un fluido utilizzando calcolatori digitali. L’utilizzo di sistemi digitali è fondamentale, in quanto la risoluzione analitica delle equazioni della fluidodinamica può essere molto complessa, se non impossibile, come nel caso delle equazioni di Navier-Stokes. Tuttavia la CFD classica è computazionalmente molto dispendiosa e richiede quindi contemporaneamente grande capacità di calcolo e molto tempo. Per questo uno dei campi di ricerca più all’avanguardia in questo ambito è l’applicazione della computazione quantistica all’analisi fluidodinamica computazionale per dare origine alla QCFD (Quatum Computational Fluid Dynamics). Questa ha la potenzialità di velocizzare moltissimo le simulazioni, applicando la capacità dei computer quantistici di utilizzare qubit al posto dei bit utilizzati nei calcolatori tradizionali. In questa trattazione, dopo una breve introduzione sui concetti base di CFD e computazione quantistica, si intende trattare i vari metodi di QCFD, partendo dallo stato dell’arte attuale fino ad arrivare ai metodi più all’avanguardia e ancora in fase di ricerca, ponendo attenzione su limiti attuali, prospettive di sviluppo e applicazioni future.