氣象預(yù)測(cè)，是人類(lèi)與大自然的對(duì)話(huà)，和每個(gè)人的生活息息相關(guān)。

　　近年來(lái)，全球極端天氣事件頻發(fā)，氣候系統(tǒng)復(fù)雜性加劇。提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和提前量，是人類(lèi)應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的重要一環(huán)，更是防災(zāi)減災(zāi)的第一道防線(xiàn)。

　　安徽部分地區(qū)去年冬季以來(lái)遭遇罕見(jiàn)的連續(xù)旱情，對(duì)提升氣象預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，有著更直接的感受、更迫切的期待。

　　因預(yù)測(cè)機(jī)理演進(jìn)、海量數(shù)據(jù)處理以及對(duì)運(yùn)算能力的需求幾何級(jí)躍升，氣象預(yù)測(cè)已經(jīng)觸達(dá)傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力天花板。這正好為量子計(jì)算提供了應(yīng)用場(chǎng)景。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》，明確要求加強(qiáng)量子計(jì)算與氣象深度融合應(yīng)用。

　　安徽在量子研究領(lǐng)域具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，正積極探索將量子計(jì)算應(yīng)用于氣象預(yù)測(cè)，以最大程度實(shí)現(xiàn)氣象災(zāi)害的盡早、精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，從而造福社會(huì)。

　　顯著提高天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度

　　2024年5月，就讀于合肥工業(yè)大學(xué)的李兆威，幸運(yùn)地得到了進(jìn)入中電信量子集團(tuán)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)。在此之前，他和身邊大多數(shù)人一樣，只在電影和新聞中聽(tīng)說(shuō)過(guò)“量子”。他參與的第一個(gè)項(xiàng)目，是與量子計(jì)算研究員、博士后王升斌一起研究量子天氣預(yù)報(bào)。

　　“量子氣象預(yù)測(cè)分為數(shù)值模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)建模兩個(gè)方面。最初我從機(jī)器學(xué)習(xí)入手，之后根據(jù)氣象局的需求設(shè)定一套算法。此前我沒(méi)使用過(guò)量子計(jì)算機(jī)，只用過(guò)模擬器。真實(shí)體驗(yàn)過(guò)后，感受到量子機(jī)器學(xué)習(xí)的收斂速度非?？?。”

　　收斂速度是衡量算法性能的重要指標(biāo)。收斂速度快，表明模型性能非常優(yōu)越。在機(jī)器學(xué)習(xí)中，經(jīng)典計(jì)算可能需要訓(xùn)練40次才能收斂，而量子機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練20次就能收斂。

　　李兆威所在的研究小組，將省氣象局提供的往期數(shù)據(jù)，使用量子計(jì)算重新建模，生成的預(yù)測(cè)與實(shí)景比對(duì)，結(jié)果顯示量子計(jì)算可以顯著提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

　　“當(dāng)時(shí)我們小組有十來(lái)個(gè)人，包括研究員、工業(yè)應(yīng)用工程師等，主要負(fù)責(zé)后臺(tái)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，有時(shí)還會(huì)研究一些其他使用到量子計(jì)算的項(xiàng)目。我覺(jué)得量子氣象這個(gè)方向很有意思，未來(lái)希望有機(jī)會(huì)能深入這個(gè)細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域。”

　　近幾年，量子計(jì)算的熱度不斷上升，每當(dāng)某個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)典計(jì)算遇到瓶頸時(shí)，大家首先會(huì)想能否用量子計(jì)算突破，因此有不少客戶(hù)主動(dòng)找到“國(guó)家隊(duì)”中電信量子集團(tuán)開(kāi)展研究、合作。

　　作為我國(guó)量子科技的重鎮(zhèn)，我省明確提出，加快培育發(fā)展量子科技等未來(lái)產(chǎn)業(yè)，全面推進(jìn)量子科技和產(chǎn)業(yè)中心建設(shè)，啟動(dòng)量子計(jì)算研發(fā)平臺(tái)等建設(shè)，力爭(zhēng)量子科技領(lǐng)域企業(yè)突破100家、專(zhuān)業(yè)人才達(dá)3000人。

　　強(qiáng)大算力支撐盡早預(yù)報(bào)

　　“人類(lèi)具有經(jīng)典物理屬性，量子世界則遵從量子力學(xué)規(guī)律。經(jīng)典物理屬性的人類(lèi)，無(wú)法直接操縱量子屬性的信息。”王升斌告訴記者，人類(lèi)需要使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)控制量子計(jì)算機(jī)，例如通過(guò)“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)，“將使用Cqlib編程框架編寫(xiě)的量子算法，發(fā)送到‘天衍’系列真實(shí)量子計(jì)算機(jī)上，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行完成后返回測(cè)量結(jié)果。”

　　王升斌2018年通過(guò)云平臺(tái)第一次接觸量子計(jì)算機(jī)。“當(dāng)時(shí)我還在讀博士，計(jì)劃畢業(yè)后去高校任教，沒(méi)考慮過(guò)從事量子方面工作，覺(jué)得離我非常遙遠(yuǎn)。2019年，我在合肥第一次見(jiàn)到了真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)，直接在量子計(jì)算機(jī)旁邊的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上操作，速度真的非?？?。”

　　從事博士后研究期間，王升斌感覺(jué)到量子科技越來(lái)越火，量子算力實(shí)現(xiàn)了巨大跨越，全世界都在關(guān)注和投入，“意識(shí)到這是個(gè)非常有前景的領(lǐng)域，如果在中國(guó)選擇一個(gè)適合做量子相關(guān)工作的城市，那一定是合肥。正巧中電信量子集團(tuán)招聘，我想機(jī)會(huì)非常難得，不來(lái)就可惜了。”

　　知名量子計(jì)算技術(shù)公司SEEQC的總裁約翰·李維曾表示，氣候挑戰(zhàn)是當(dāng)今世界面對(duì)的最大挑戰(zhàn)之一，而量子計(jì)算在應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)上具有廣泛應(yīng)用的前景。

　　傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)主要依靠數(shù)值計(jì)算。隨著時(shí)空分辨率需求急速提升，以及氣象模型復(fù)雜度指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力瓶頸日益凸顯。說(shuō)白了，就是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有點(diǎn)“算不過(guò)來(lái)”，而量子計(jì)算機(jī)以“地表最強(qiáng)”處理能力和專(zhuān)門(mén)針對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的設(shè)計(jì)，當(dāng)選挑戰(zhàn)這一艱巨任務(wù)的“天選之子”。當(dāng)前，很多國(guó)家都在關(guān)注量子科技與氣象應(yīng)用的結(jié)合。

　　世界上第一份天氣預(yù)報(bào)就是大氣運(yùn)動(dòng)方程的積分求解。隨著技術(shù)快速進(jìn)步，未來(lái)數(shù)年到十幾年，量子計(jì)算有望實(shí)現(xiàn)方程求解的指數(shù)級(jí)加速。形象地說(shuō)，如果原本需要1萬(wàn)天，加速后只需要4天。算得更快就能盡早預(yù)報(bào)氣象災(zāi)害，對(duì)生活生產(chǎn)至關(guān)重要。今年“世界氣象日”的主題，正是“攜手縮小早期預(yù)警差距”。

　　氣象量子融合應(yīng)用的更多可能

　　近年來(lái)，我國(guó)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性屢創(chuàng)新高，氣象預(yù)報(bào)能力在國(guó)際上處于領(lǐng)先位置。2024年，我省的暴雨預(yù)警信號(hào)準(zhǔn)確率達(dá)到了89%。

　　與此同時(shí)，量子計(jì)算技術(shù)正逐步走向行業(yè)應(yīng)用：2023年，我省牽頭編制全國(guó)氣象量子應(yīng)用工作方案（2024—2030年），“量子+氣象”成為一項(xiàng)國(guó)家級(jí)任務(wù)。同年10月，合肥氣象量子技術(shù)創(chuàng)新研究中心揭牌。該中心力爭(zhēng)到2035年，在“氣象+量子計(jì)算”領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　在短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)方面，誕生于我省的“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)—氣象預(yù)測(cè)解決方案，對(duì)原有的SmaAt-UNet模型（一種用于降水短臨預(yù)報(bào)的高效卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行了量子化改造，在回歸指標(biāo)、召回指標(biāo)等預(yù)測(cè)精度指標(biāo)上都體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。這一初步探索，驗(yàn)證了量子計(jì)算在氣象預(yù)測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力。預(yù)計(jì)2025年底前，“天衍”將接入目前全國(guó)最高水準(zhǔn)的“祖沖之三號(hào)”同款超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，為量子計(jì)算在氣象預(yù)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)更多可能。

　　過(guò)去70年間，天氣預(yù)報(bào)積攢了大量真實(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)“投喂”出不少表現(xiàn)優(yōu)秀的氣象大模型。使用量子計(jì)算機(jī)，可以模擬更復(fù)雜的氣候系統(tǒng)和更長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化，還有可能識(shí)別出更多規(guī)律，改進(jìn)已有的大模型。

　　2025年是聯(lián)合國(guó)教科文組織確定的“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年”。有專(zhuān)家指出，量子技術(shù)為超越經(jīng)典計(jì)算極限、顛覆現(xiàn)有技術(shù)、重構(gòu)氣象預(yù)測(cè)模型架構(gòu)等提供了全新可能，正在催生氣象預(yù)測(cè)領(lǐng)域的范式革命。

　　安徽在這一領(lǐng)域的先行探索，令人有信心期待：量子天氣預(yù)報(bào)廣泛造福人類(lèi)的未來(lái)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。（安徽日?qǐng)?bào)報(bào)業(yè)集團(tuán)全媒體記者 宣嵐）

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