氣象預測，是人類與大自然的對話，和每個人的生活息息相關。
近年來，全球極端天氣事件頻發，氣候系統復雜性加劇。提升預報準確率和提前量，是人類應對氣候變化挑戰的重要一環，更是防災減災的第一道防線。
安徽部分地區去年冬季以來遭遇罕見的連續旱情，對提升氣象預測精準度，有著更直接的感受、更迫切的期待。
因預測機理演進、海量數據處理以及對運算能力的需求幾何級躍升，氣象預測已經觸達傳統經典計算機的能力天花板。這正好為量子計算提供了應用場景。國務院發布的《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》，明確要求加強量子計算與氣象深度融合應用。
安徽在量子研究領域具有先發優勢，正積極探索將量子計算應用于氣象預測，以最大程度實現氣象災害的盡早、精準預報，從而造福社會。
顯著提高天氣預報精準度
2024年5月，就讀于合肥工業大學的李兆威，幸運地得到了進入中電信量子集團實習的機會。在此之前，他和身邊大多數人一樣，只在電影和新聞中聽說過“量子”。他參與的第一個項目，是與量子計算研究員、博士后王升斌一起研究量子天氣預報。
“量子氣象預測分為數值模擬和機器學習建模兩個方面。最初我從機器學習入手，之后根據氣象局的需求設定一套算法。此前我沒使用過量子計算機，只用過模擬器。真實體驗過后，感受到量子機器學習的收斂速度非?？臁！?/span>
收斂速度是衡量算法性能的重要指標。收斂速度快，表明模型性能非常優越。在機器學習中，經典計算可能需要訓練40次才能收斂，而量子機器學習訓練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據，使用量子計算重新建模，生成的預測與實景比對，結果顯示量子計算可以顯著提高天氣預報的準確性。
“當時我們小組有十來個人，包括研究員、工業應用工程師等，主要負責后臺的技術開發，有時還會研究一些其他使用到量子計算的項目。我覺得量子氣象這個方向很有意思，未來希望有機會能深入這個細分應用領域?！?/span>
近幾年，量子計算的熱度不斷上升，每當某個領域的經典計算遇到瓶頸時，大家首先會想能否用量子計算突破，因此有不少客戶主動找到“國家隊”中電信量子集團開展研究、合作。
作為我國量子科技的重鎮，我省明確提出，加快培育發展量子科技等未來產業，全面推進量子科技和產業中心建設，啟動量子計算研發平臺等建設，力爭量子科技領域企業突破100家、專業人才達3000人。
強大算力支撐盡早預報
“人類具有經典物理屬性，量子世界則遵從量子力學規律。經典物理屬性的人類，無法直接操縱量子屬性的信息。”王升斌告訴記者，人類需要使用經典計算機控制量子計算機，例如通過“天衍”量子計算云平臺，“將使用Cqlib編程框架編寫的量子算法，發送到‘天衍’系列真實量子計算機上，量子計算機運行完成后返回測量結果?！?/span>
王升斌2018年通過云平臺第一次接觸量子計算機。“當時我還在讀博士，計劃畢業后去高校任教，沒考慮過從事量子方面工作，覺得離我非常遙遠。2019年，我在合肥第一次見到了真實的量子計算機，直接在量子計算機旁邊的經典計算機上操作，速度真的非常快?！?/span>
從事博士后研究期間，王升斌感覺到量子科技越來越火，量子算力實現了巨大跨越，全世界都在關注和投入，“意識到這是個非常有前景的領域，如果在中國選擇一個適合做量子相關工作的城市，那一定是合肥。正巧中電信量子集團招聘，我想機會非常難得，不來就可惜了?！?/span>
知名量子計算技術公司SEEQC的總裁約翰·李維曾表示，氣候挑戰是當今世界面對的最大挑戰之一，而量子計算在應對氣候挑戰上具有廣泛應用的前景。
傳統天氣預報主要依靠數值計算。隨著時空分辨率需求急速提升，以及氣象模型復雜度指數級增長，經典計算機的算力瓶頸日益凸顯。說白了，就是傳統計算機有點“算不過來”，而量子計算機以“地表最強”處理能力和專門針對復雜問題的設計，當選挑戰這一艱巨任務的“天選之子”。當前，很多國家都在關注量子科技與氣象應用的結合。
世界上第一份天氣預報就是大氣運動方程的積分求解。隨著技術快速進步，未來數年到十幾年，量子計算有望實現方程求解的指數級加速。形象地說，如果原本需要1萬天，加速后只需要4天。算得更快就能盡早預報氣象災害，對生活生產至關重要。今年“世界氣象日”的主題，正是“攜手縮小早期預警差距”。
氣象量子融合應用的更多可能
近年來，我國天氣預報準確性屢創新高，氣象預報能力在國際上處于領先位置。2024年，我省的暴雨預警信號準確率達到了89%。
與此同時，量子計算技術正逐步走向行業應用：2023年，我省牽頭編制全國氣象量子應用工作方案（2024—2030年），“量子+氣象”成為一項國家級任務。同年10月，合肥氣象量子技術創新研究中心揭牌。該中心力爭到2035年，在“氣象+量子計算”領域達到國際領先水平。
在短時臨近天氣預報方面，誕生于我省的“天衍”量子計算云平臺—氣象預測解決方案，對原有的SmaAt-UNet模型（一種用于降水短臨預報的高效卷積神經網絡）進行了量子化改造，在回歸指標、召回指標等預測精度指標上都體現出優勢。這一初步探索，驗證了量子計算在氣象預測領域的巨大潛力。預計2025年底前，“天衍”將接入目前全國最高水準的“祖沖之三號”同款超導量子計算機，為量子計算在氣象預測領域的應用帶來更多可能。
過去70年間，天氣預報積攢了大量真實數據，這些數據“投喂”出不少表現優秀的氣象大模型。使用量子計算機，可以模擬更復雜的氣候系統和更長時間尺度的氣候變化，還有可能識別出更多規律，改進已有的大模型。
2025年是聯合國教科文組織確定的“國際量子科學與技術年”。有專家指出，量子技術為超越經典計算極限、顛覆現有技術、重構氣象預測模型架構等提供了全新可能，正在催生氣象預測領域的范式革命。
安徽在這一領域的先行探索，令人有信心期待：量子天氣預報廣泛造福人類的未來已經不遠了。
(安徽日報報業集團全媒體記者 宣嵐)
責任編輯：王振華
