日前,國務院印發的《氣象高質量發展綱要(2022—2035年)》(以下簡稱《綱要》)提出,加強人工智能、大數據、量子計算與氣象深度融合應用。《綱要》強調,要增強我國氣象科技自主創新能力,“量子計算”作為關鍵核心技術被重點提及,其戰略重要性不言而喻。

增強氣象科技自主創新  量子計算不可或缺

在全球氣候變暖背景下,我國極端天氣氣候事件增多增強,統籌發展和安全對防范氣象災害重大風險的要求越來越高。《綱要》提出,將國家經濟社會發展,特別是相關重大戰略部署對氣象的要求落實到新階段氣象事業發展中。《綱要》還明確,到2025年,氣象關鍵核心技術實現自主可控;到2035年,氣象關鍵科技領域實現重大突破,以智慧氣象為主要特征的氣象現代化基本實現。

量子計算作為改變世界和顛覆千行百業的“催化劑”,它提供了解決極其復雜問題的機會。根據《綱要》要求,增強氣象科技自主創新能力,加強量子計算與氣象深度融合應用,才能使我國氣象發展保持在國際前列。

量子計算與氣象融合應用  各國積極探索布局

氣象預測需要分析包括溫度、濕度、風速風向和地磁等多個動態變量在內的大量數據,使用傳統經典計算機開發數值天氣和氣候預測模型存在局限性,無法跟上不斷變化的復雜天氣。

量子計算是一種全新的計算模式,具有顛覆性的算力,通過將復雜問題進行矩陣轉化、多參量并行最優化運算處理,徹底改變傳統計算方式,獲得更加實時、更加精準的結果。同時,通過特殊開發的量子人工智能算法,結合歷史氣象數據,將有助于氣象災害預測,減少損失。鑒于此,各國政府和企業都在積極布局和探索量子計算在氣象領域的應用。

英國氣象局已經在量子計算上投入了大量資金,以幫助改進預測。IBM研究院、 The Weather Company、美國大學大氣研究聯盟 (UCAR) 和美國國家大氣研究中心(NCAR)合作開發一個快速更新的風暴尺度模型,可以在當地預測雷暴。他們的模型是第一個覆蓋全球的模型,即使在服務最不足的地區也能提供高分辨率的預測。

美國Rigetti公司通過量子機器學習增強預測天氣建模。該公司結合了經典和量子機器學習技術來生成高質量的合成天氣雷達數據并改進風暴預測的經典模型。這項工作是在Rigetti的32量子位系統上進行的,證明了量子硬件的實際應用是觸手可及的。

美國能源部商業主管Rima Kasia Oueid在今年3月IEEE Quantum召開的量子計算與氣候變化峰會(IEEE Quantum Computing Climate Change Summit)上也探討當今的量子計算如何應用于應對氣候變化的相關問題。

加拿大、澳大利亞、日本等國也將量子計算作為應對氣象問題的關鍵技術之一,投入了大量的資金和研發團隊,挑戰研發更具突破性的技術,探索拓展更多量子計算與氣象領域的應用場景。

應需而變 中國量子企業進行時

我國氣象科技創新已發展到跟跑和并跑并存的新階段,國氣象局黨組書記、局長莊國泰表示,“我國在數值預報、災害性天氣監測預警等關鍵核心技術方面還存在差距,新一代信息技術在氣象領域的深度融合應用不夠等短板亟待補齊。”

在國家頂層政策推動下,加強量子計算與氣象領域的深度融合,將很大程度上補齊短板。由浙江省政府、浙江大學和中國科技公司阿里巴巴集團共同建設的中國超級計算創新中心浙江實驗室,其研究團隊分析了長江三角洲地區大量有關溫度、濕度、風力和衛星云圖的氣象數據,利用新開發的量子模擬器,將計算時間由304秒縮短到150 秒。

國內其他量子企業也嘗試在氣象領域開展融合應用。亞洲首家離子阱量子計算公司啟科量子,積極探索利用離子阱量子技術與氣象融合應用,并與相關氣象部門開展緊密合作,利用離子阱量子計算技術的多項優勢,如量子比特品質高、相干時間長、量子比特的制備和讀出效率高等,積極開展研究。為氣象行業的發展提供創新思路,共同探索并解決量子計算在氣象預測及應對氣候變化方面的相關問題。

目前,量子計算技術雖然處于發展早期階段,但潛力巨大,加強量子計算與氣象深度融合應用,將為我國發展精細氣象服務系統,打造氣象信息支撐系統注入強大動力。