再登物理1区Top期刊SCPMA！玻色量子联合多校攻克专用量子计算气象资料同化关键难题

           近日，国防科技大学、北京邮电大学、陆军工程大学联合北京玻色量子科技有限公司开展科研攻关，在专用量子计算赋能地球科学领域取得重大突破，相关研究成果以封面文章形式发表于物理 1 区 Top 期刊《Science China: Physics, Mechanics&Astronomy》（SCPMA）。该成果首次将专用量子计算机应用于二维准地转模型资料同化，为高分辨率气象预测、海洋环境模拟突破传统计算瓶颈开辟了全新路径。

           《中国科学：物理学力学天文学》英文版SCPMA，由中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办，是国内物理学领域权威综合性学术期刊。期刊被SCI、EI、ADS等数据库收录，2022年影响因子6.4，位列中国科学院期刊分区表物理大类1区Top，具备极高学术认可度。本次成果发表，是高校科研团队在专用量子计算规模化应用、地球系统数值预报交叉融合领域的重要标志性成果。

           地球系统模拟和数值预报的精度，高度依赖资料同化（DA）技术。随着卫星、雷达等观测数据爆炸式增长，传统同化方法面临高维连续非凸优化难题，计算耗时占到气象预报总资源的10%–25%，已成为高精度、实时环境预报的突出瓶颈。

           目前学界探索的超导量子退火方案，必须依赖极低温运行环境，且硬件利用效率受限，数千物理比特仅能映射百余逻辑比特，难以扩展到高维度、大规模气象与海洋环境系统模型，业界一直亟待找到可实时、可扩展、高精度的全新技术路径。

           本次研究由北京邮电大学物理科学与技术学院贾宇宣博士、国防科技大学前沿学科交叉学院钟玮教授担任共同第一作者，国防科技大学钟玮教授、北京邮电大学王铁军教授担任共同通讯作者。研究团队提出量子启发式资料同化（QDA）框架，采用可室温运行的专用量子计算机，依托量子光学压缩效应与并行搜索能力，将经典同化核心变分代价函数重构为二次无约束二元优化（QUBO）问题，并映射至光学伊辛哈密顿量，成功构建适用于大规模组合优化的量子启发同化模型。

           针对当前专用量子计算硬件比特规模限制，团队创新性采用重叠区域分解策略，将全局网格划分为6个子区域，既突破硬件规模约束，又通过边界信息交互保证了大规模求解的精度稳定性，完成512维二维准地转（QG）模型完整实验验证。

图1是全观测条件下流函数场随时间演变的等值线图。展示了不同流函数场（包括纯模式演变及经数据同化后的结果）的时间演变过程。从上到下各行分别对应：真实场、经典数据同化分析场、量子数据同化分析场以及对照场。

           数值模拟与真机实验结果显示：经过120轮同化循环，量子资料同化方法在流函数和涡度场上的均方根误差优于经典三维变分同化（3D-VAR）方法，整体精度相当甚至更优。在千比特专用量子计算机硬件真机测试中，量子资料同化单次同化耗时仅25.31ms，经典变分同化耗时266.4ms，量子方案耗时仅为传统方法的9.5%，实现10.5倍计算加速。同时，该方法计算时间几乎不随观测点数量增加而上升，非常适配海量卫星、雷达观测数据实时接入的业务需求。

图2是使用专用量子计算机求解子区域哈密顿量问题时的哈密顿量演变（针对128个观测点的流函数场同化）

           该研究不仅实证了专用量子计算在环境预报领域的实用价值，也为复杂地球系统建模开辟了全新计算技术路线。随着专用量子计算机的持续发展，量子资料同化有望在高分辨率气象预测、海洋模拟等场景中发挥更大作用，为环境预测系统提供更加高效的计算工具，推动气象计算向更高精度与更高效率发展。

           未来，玻色量子将继续围绕“量子计算+”方向，联合高校与科研机构，推动量子计算在地球科学、电力能源、人工智能等复杂系统中的应用探索，加速量子计算从科研验证走向工程化应用与产业化落地。