【SCPMA封面文章】国防科技大学、北京邮电大学等联合突破光量子计算规模化应用：室温光学量子计算赋能资料同化，速度提升超10倍

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。然而，随着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问题，计算耗时占主要预报总资源的10%–25%。为突破这一计算瓶颈，学界开始探索量子计算在资料同化中的潜力。基于超导系统的量子退火虽已率先尝试，但其依赖极低温环境且逻辑比特数严重受限（数千物理比特仅能映射百余逻辑比特），难以扩展至高维度大规模气象海洋等环境系统模型。如何实现实时、可扩展的高效同化，成为亟待突破的瓶颈。

近日，国防科技大学、北京邮电大学、陆军工程大学及北京玻色量子科技有限公司合作团队在 Science China-Physics, Mechanics & Astronomy上发表封面文章“Realization of quantum data assimilation for a two-dimensional quasi-geostrophic model based on a coherent Ising machine”。该研究首次将相干伊辛机（CIM）——一种基于量子光学的计算系统——应用于二维准地转（QG）模型的资料同化，提出了分区域计算的量子启发式资料同化（QDA）框架，在精度相当的前提下，将单次同化计算时间缩短至经典三维变分同化（3D-VAR）方法的9.5%。

研究团队采用可室温运行的CIM，利用其特有的量子光学压缩效应和并行搜索能力，将经典同化核心的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，实现了求解大规模组合优化问题的量子启发同化模型构建。针对512维QG模型，引入重叠区域分解策略，将全局网格划分为6个子区域，突破了当前光学硬件的比特限制的同时，有效保证了大规模求解的计算精度。数值模拟结果表明，经过120轮同化循环，QDA在流函数和涡度场上的均方根误差均低于经典3D-VAR方法。

该图通过对比真实场、CDA、QDA及无同化对照场在多个时间节点的流函数等值线，展示了全观测条件下流函数场资料同化（CDA和QDA，后者采用CIM模拟器）与纯模型演化对系统动态过程的共同影响，从而评估不同同化策略提升表征精度的效果。

在千比特光学CIM硬件上的真机实验表明，QDA单次同化时间25.31ms，仅为经典变分同化（266.4ms）的9.5%，实现了10.5倍加速，且同化精度相当（RMSE 0.04436 vs. 0.04213）。此外，研究表明QDA的计算时间几乎不随观测点数量增加而增长，这一特性对于日益密集的卫星、雷达等观测数据的实时融入尤为关键。

该研究不仅展示了量子计算在环境预报中的实际可行性，也为未来复杂地球系统建模开辟了计算体制的新赛道。当前，CIM系统单次可计算规模已达十万比特量级，足以支撑10²~10³维网格区域的实时同化，进一步结合该研究提出的区域分解策略，可有效应用于真实业务场景下的资料同化问题。团队计划将QDA推广至多变量、非线性的可业务化实际环境模型，并利用更高精度的量子光学芯片持续提升性能。

CIM实验原理图

该工作由北京邮电大学物理科学与技术学院的贾宇宣博士（联合培养）、国防科技大学前沿学科交叉学院钟玮教授为共同第一作者，国防科技大学前沿学科交叉学院钟玮教授、北京邮电大学的王铁军教授为共同通讯作者。

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Y-X Jia, W Zhong, W You, H-D Du, N-F Gong, Y-C Jiang, Y Yao, Y-X Cao, L-X Yuan, Y Ma, K Wen, T-J Wang. Realization of quantum data assimilation for a two‑dimensional quasi‑geostrophic model based on a coherent Ising machine. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 69, 250311 (2026). https://doi.org/10.1007/s11433-025-2816-7