流体动力学是物理学中最具挑战性的领域之一。其研究需采用各种数学分析方法，并建立大型、精密的实验设备和仪器等研究方法。研究方向包括高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相（气液或气固）流等分支。这些研究不仅有助于流体微观性质、理论特性等研究，还对新材料发现、爆炸波理论等发展具有促进作用，从而加快国家航空航天、国家安全等事业的发展。

当下量子计算的发展推动了流体力学的研究。近期，国际学术期刊《Science》发表了题为《在长程量子磁体中观测新兴的流体动力学》的论文。该论文描述了在离子阱中囚禁51个可单独操纵的40Ca+离子，实现了通过离子链自旋的长程相互作用在原子层面上观测到新兴的流体动力学现象。据了解，这是国际上首次利用离子阱系统实现对流体动力学的模拟研究，为探索流体动力学和量子物质非平衡态的普遍特性打开了道路。论文的科研团队来自奥地利科学院量子光学和量子信息研究所（IQOQI）、因斯布鲁克大学以及奥地利Alpine Quantum Technologies（AQT）等单位。

离子阱技术助力流体动力学模拟

科研团队通过测量无限温度状态下的时空分辨关联函数成功观测到了从正常扩散到反常超扩散的流体动力学普适性。此外，他们通过提取流体力学理论的输运系数来反映系统的微观性质。最终其研究表明离子阱量子计算机可用于探索量子物质非平衡态的普适性质。

图：长程量子磁体的层展流体动力学

此次实验所使用的量子模拟器是由奥地利科学院量子光学和量子信息研究所搭建的囚禁离子系统，其研究人员在2021年搭建了一个紧凑型离子阱量子计算机的原型机。

离子阱量子计算是利用激光驱动下量子比特与离子链集体振动模式的耦合实现比特间的纠缠，在量子比特的相干时间、量子操作的保真度、量子比特的连接性和纠缠的规模等方面具有明显优势。大多数离子阱实验都使用传输操作来实现加载、单独检测和单独寻址。离子阱设计和电势控制的进步带来离子操控的改进，例如快速穿梭、快速离子分离、光学相位控制、连接传输和离子链旋转等。

此次实验参与者慕尼黑工业大学教授 Michael Knap 表示，“虽然量子比特的数量和量子态的稳定性目前非常有限，但我们今天已经可以利用量子模拟器的巨大计算能力来解决一些问题。在不久的将来，量子模拟器和量子计算机将成为研究复杂量子系统动力学的理想平台。”

量子计算作为一项前沿颠覆性技术，已经成为全球各国关注的焦点。多种技术路线在量子比特实现方面均已取得突破，其中离子阱技术更是呈现加速发展态势。近年来，离子阱技术在物理比特数量、量子体积指标等方面不断实现突破，并在金融、药物、网络安全等领域开展了量子计算应用探索。目前，霍尼韦尔、IonQ 、牛津大学、悉尼大学、中科院、启科量子等相关研究团队正采用离子阱技术开展量子计算研究工作。

此次实验的成功标志着离子阱量子计算机对流体力学的探索具有深远意义，同时也对国内外从事离子阱技术研究的机构及企业起到很好的激励作用。未来，随着离子阱技术的迭代与优化，将应用于流体动力学等更多领域，从而加快量子计算的产业化落地步伐。