The advent of quantum computers, operating on entirely different physical principles and abstractions from those of classical digital computers, sets forth a new computing paradigm that can potentially result in game-changing efficiencies and computational performance. Specifically, the ability to simultaneously evolve the state of an entire quantum system leads to quantum parallelism and interference. Despite these prospects, opportunities to bring quantum computing to bear on problems of computational mechanics remain largely unexplored. In this work, we demonstrate how quantum computing can indeed be used to solve representative volume element (RVE) problems in computational homogenisation with polylogarithmic complexity of~$ \mathcal{O}((\log N)^c)$, compared to~$\mathcal{O}(N^c)$ in classical computing. Thus, our quantum RVE solver attains exponential acceleration with respect to classical solvers, bringing concurrent multiscale computing closer to practicality. The proposed quantum RVE solver combines conventional algorithms such as a fixed-point iteration for a homogeneous reference material and the Fast Fourier Transform (FFT). However, the quantum computing reformulation of these algorithms requires a fundamental paradigm shift and a complete rethinking and overhaul of the classical implementation. We employ or develop several techniques, including the Quantum Fourier Transform (QFT), quantum encoding of polynomials, classical piecewise Chebyshev approximation of functions and an auxiliary algorithm for implementing the fixed-point iteration and show that, indeed, an efficient implementation of RVE solvers on quantum computers is possible. We additionally provide theoretical proofs and numerical evidence confirming the anticipated~$ \mathcal{O} \left ((\log N)^c \right) $ complexity of the proposed solver.


翻译:量子计算机的运行基于与经典数字计算机完全不同的物理原理和抽象机制,其作为一种新型计算范式,有望带来颠覆性的效率提升和计算性能突破。具体而言,量子计算机能够同时演化整个量子系统的状态,从而产生量子并行性和干涉效应。尽管前景广阔,但将量子计算应用于计算力学问题的机遇仍鲜有探索。本文证明,量子计算确实可用于求解计算均匀化中的代表性体积单元(RVE)问题,其复杂度为多对数阶 $\mathcal{O}((\log N)^c)$,而经典计算的复杂度为 $\mathcal{O}(N^c)$。因此,我们的量子RVE求解器相较于经典求解器实现了指数级加速,使并发的多尺度计算更接近实用化。所提出的量子RVE求解器融合了传统算法,如同质参考材料的固定点迭代和快速傅里叶变换(FFT)。然而,这些算法的量子计算重构需要根本性的范式转变,并对经典实现进行彻底的重新思考与重构。我们采用或开发了多种技术,包括量子傅里叶变换(QFT)、多项式量子编码、函数的经典分段切比雪夫近似以及实现固定点迭代的辅助算法,并证明在量子计算机上高效实现RVE求解器是可行的。此外,我们提供了理论证明和数值证据,证实了所提求解器预期的 $\mathcal{O} \left ((\log N)^c \right)$ 复杂度。

0
下载
关闭预览

相关内容

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

知识荟萃

精品入门和进阶教程、论文和代码整理等

更多

查看相关VIP内容、论文、资讯等
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月22日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月21日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月21日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月21日
Arxiv
24+阅读 · 2022年2月4日
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Relational Deep Reinforcement Learning
Arxiv
10+阅读 · 2018年6月28日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
Arxiv
29+阅读 · 2017年12月6日
VIP会员
最新内容
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
0+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
13+阅读 · 6月10日
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
7+阅读 · 6月10日
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
4+阅读 · 6月10日
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
8+阅读 · 6月9日
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月22日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月21日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月21日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月21日
Arxiv
24+阅读 · 2022年2月4日
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Relational Deep Reinforcement Learning
Arxiv
10+阅读 · 2018年6月28日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
Arxiv
29+阅读 · 2017年12月6日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员