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Solving Transport Equations on Quantum Computers - Potential and Limitations of Physics-Informed Quantum Circuits

Siegl, Pia und Wassing, Simon und Mieth, Dirk Markus und Langer, Stefan und Bekemeyer, Philipp (2024) Solving Transport Equations on Quantum Computers - Potential and Limitations of Physics-Informed Quantum Circuits. CEAS Aeronautical Journal. Springer. doi: 10.1007/s13272-024-00774-2. ISSN 1869-5590.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s13272-024-00774-2

Kurzfassung

Quantum circuits with trainable parameters, paired with classical optimization routines can be used as machine learning models. The recently popularized physics-informed neural network (PINN) approach is a machine learning algorithm that solves differential equations by incorporating them into a loss function. Being a mesh-free method, it is a promising approach for computational fluid dynamics. The question arises whether the properties of quantum circuits can be leveraged for a quantum physics-informed machine learning model. In this study, we compare the classical PINN-ansatz and its quantum analog, which we name the physics-informed quantum circuit (PIQC). The PIQC simulations are performed on a noise-free quantum computing simulator. Studying various differential equations, we compare expressivity, accuracy and convergence properties. We find that one-dimensional problems, such as the linear transport of a Gaussian-pulse or Burgers’ equation, allow a successful approximation with the classical and the quantum ansatz. For these examples, the PIQC overall performs similarly to PINN and converges more consistently and for Burgers’ equations even faster. While this is promising, the chosen quantum circuit approach struggles to approximate discontinuous solutions which the classical PINN-ansatz can represent. Based on this comparison, we extrapolate that the required number of qubits for solving two-dimensional problems in aerodynamics may already be available in the next few years. However, the acceleration potential is currently unclear and challenges like noisy circuits and approximations of discontinuous solutions have to be overcome.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/207964/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Solving Transport Equations on Quantum Computers - Potential and Limitations of Physics-Informed Quantum Circuits
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Siegl, Piapia.siegl (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wassing, SimonSimon.Wassing (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mieth, Dirk MarkusMarkus.Mieth (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Langer, StefanStefan.Langer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bekemeyer, PhilippPhilipp.Bekemeyer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:30 Oktober 2024
Erschienen in:CEAS Aeronautical Journal
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1007/s13272-024-00774-2
Verlag:Springer
ISSN:1869-5590
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Quantum Machine Learning, Physic_Informed Neural Networks, Quantum Computing, Solving, Differential Equations
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC AW - Anwendungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - ToQuaFlics
Standort: Dresden
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaremethoden zur Produkt-Virtualisierung
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Hinterlegt von: Siegl, Pia
Hinterlegt am:04 Nov 2024 21:24
Letzte Änderung:04 Nov 2024 21:24

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