日前,國(guó)務(wù)院印發(fā)的《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要(2022—2035年)》(以下簡(jiǎn)稱《綱要》)提出,加強(qiáng)人工智能、大數(shù)據(jù)、量子計(jì)算與氣象深度融合應(yīng)用。《綱要》強(qiáng)調(diào),要增強(qiáng)我國(guó)氣象科技自主創(chuàng)新能力,“量子計(jì)算”作為關(guān)鍵核心技術(shù)被重點(diǎn)提及,其戰(zhàn)略重要性不言而喻。

增強(qiáng)氣象科技自主創(chuàng)新  量子計(jì)算不可或缺

在全球氣候變暖背景下,我國(guó)極端天氣氣候事件增多增強(qiáng),統(tǒng)籌發(fā)展和安全對(duì)防范氣象災(zāi)害重大風(fēng)險(xiǎn)的要求越來越高。《綱要》提出,將國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,特別是相關(guān)重大戰(zhàn)略部署對(duì)氣象的要求落實(shí)到新階段氣象事業(yè)發(fā)展中。《綱要》還明確,到2025年,氣象關(guān)鍵核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主可控;到2035年,氣象關(guān)鍵科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破,以智慧氣象為主要特征的氣象現(xiàn)代化基本實(shí)現(xiàn)。

量子計(jì)算作為改變世界和顛覆千行百業(yè)的“催化劑”,它提供了解決極其復(fù)雜問題的機(jī)會(huì)。根據(jù)《綱要》要求,增強(qiáng)氣象科技自主創(chuàng)新能力,加強(qiáng)量子計(jì)算與氣象深度融合應(yīng)用,才能使我國(guó)氣象發(fā)展保持在國(guó)際前列。

量子計(jì)算與氣象融合應(yīng)用  各國(guó)積極探索布局

氣象預(yù)測(cè)需要分析包括溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向和地磁等多個(gè)動(dòng)態(tài)變量在內(nèi)的大量數(shù)據(jù),使用傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)開發(fā)數(shù)值天氣和氣候預(yù)測(cè)模型存在局限性,無法跟上不斷變化的復(fù)雜天氣。

量子計(jì)算是一種全新的計(jì)算模式,具有顛覆性的算力,通過將復(fù)雜問題進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)化、多參量并行最優(yōu)化運(yùn)算處理,徹底改變傳統(tǒng)計(jì)算方式,獲得更加實(shí)時(shí)、更加精準(zhǔn)的結(jié)果。同時(shí),通過特殊開發(fā)的量子人工智能算法,結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù),將有助于氣象災(zāi)害預(yù)測(cè),減少損失。鑒于此,各國(guó)政府和企業(yè)都在積極布局和探索量子計(jì)算在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。

英國(guó)氣象局已經(jīng)在量子計(jì)算上投入了大量資金,以幫助改進(jìn)預(yù)測(cè)。IBM研究院、 The Weather Company、美國(guó)大學(xué)大氣研究聯(lián)盟 (UCAR) 和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)合作開發(fā)一個(gè)快速更新的風(fēng)暴尺度模型,可以在當(dāng)?shù)仡A(yù)測(cè)雷暴。他們的模型是第一個(gè)覆蓋全球的模型,即使在服務(wù)最不足的地區(qū)也能提供高分辨率的預(yù)測(cè)。

美國(guó)Rigetti公司通過量子機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)預(yù)測(cè)天氣建模。該公司結(jié)合了經(jīng)典和量子機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來生成高質(zhì)量的合成天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)并改進(jìn)風(fēng)暴預(yù)測(cè)的經(jīng)典模型。這項(xiàng)工作是在Rigetti的32量子位系統(tǒng)上進(jìn)行的,證明了量子硬件的實(shí)際應(yīng)用是觸手可及的。

美國(guó)能源部商業(yè)主管Rima Kasia Oueid在今年3月IEEE Quantum召開的量子計(jì)算與氣候變化峰會(huì)(IEEE Quantum Computing Climate Change Summit)上也探討當(dāng)今的量子計(jì)算如何應(yīng)用于應(yīng)對(duì)氣候變化的相關(guān)問題。

加拿大、澳大利亞、日本等國(guó)也將量子計(jì)算作為應(yīng)對(duì)氣象問題的關(guān)鍵技術(shù)之一,投入了大量的資金和研發(fā)團(tuán)隊(duì),挑戰(zhàn)研發(fā)更具突破性的技術(shù),探索拓展更多量子計(jì)算與氣象領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。

應(yīng)需而變 中國(guó)量子企業(yè)進(jìn)行時(shí)

我國(guó)氣象科技創(chuàng)新已發(fā)展到跟跑和并跑并存的新階段,國(guó)氣象局黨組書記、局長(zhǎng)莊國(guó)泰表示,“我國(guó)在數(shù)值預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警等關(guān)鍵核心技術(shù)方面還存在差距,新一代信息技術(shù)在氣象領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用不夠等短板亟待補(bǔ)齊。”

在國(guó)家頂層政策推動(dòng)下,加強(qiáng)量子計(jì)算與氣象領(lǐng)域的深度融合,將很大程度上補(bǔ)齊短板。由浙江省政府、浙江大學(xué)和中國(guó)科技公司阿里巴巴集團(tuán)共同建設(shè)的中國(guó)超級(jí)計(jì)算創(chuàng)新中心浙江實(shí)驗(yàn)室,其研究團(tuán)隊(duì)分析了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)大量有關(guān)溫度、濕度、風(fēng)力和衛(wèi)星云圖的氣象數(shù)據(jù),利用新開發(fā)的量子模擬器,將計(jì)算時(shí)間由304秒縮短到150 秒。

國(guó)內(nèi)其他量子企業(yè)也嘗試在氣象領(lǐng)域開展融合應(yīng)用。亞洲首家離子阱量子計(jì)算公司啟科量子,積極探索利用離子阱量子技術(shù)與氣象融合應(yīng)用,并與相關(guān)氣象部門開展緊密合作,利用離子阱量子計(jì)算技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì),如量子比特品質(zhì)高、相干時(shí)間長(zhǎng)、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(yè)的發(fā)展提供創(chuàng)新思路,共同探索并解決量子計(jì)算在氣象預(yù)測(cè)及應(yīng)對(duì)氣候變化方面的相關(guān)問題。

目前,量子計(jì)算技術(shù)雖然處于發(fā)展早期階段,但潛力巨大,加強(qiáng)量子計(jì)算與氣象深度融合應(yīng)用,將為我國(guó)發(fā)展精細(xì)氣象服務(wù)系統(tǒng),打造氣象信息支撐系統(tǒng)注入強(qiáng)大動(dòng)力。