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量子时代的“千里眼”,一种研究云层的新方法

量子前哨 量子前哨 2021-11-20

摘要:本文是莫妮卡·埃尔南德斯采访Quantum Cosmos Lab(量子宇宙实验室)的创始人和首席研究员Jakub Mielczarek后撰写的第一人称文章。



哥白尼哨兵数据(2018年),由欧洲航天局(ESA)处理 

CC BY-SA 3.0 IGO 许可证(图片来源:网络)

波兰Quantum Cosmos Lab(量子宇宙实验室)和KP Labs的一组跨学科研究人员,研究了在“多光谱和高光谱卫星图像”中检测云的量子算法有用性。

 

该项目是为了响应欧洲航天局(欧空局,简称“ESA”)在2020年底通过开放太空创新平台(OSIP)发出的空间研究呼吁,现已被选中进入实验阶段。目前,来自两家初创公司的五人团队将在IBM基于云的超导量子计算机中进行量子支持向量机(QSVM)算法的建模技术。

 

今年,QSVM将从大量卫星图像中筛选和分类多云区域。云修剪可以显著减少下行数据的大小,从而促进传输、存储和分析。大型数据卫星集的关键需求是了解特征相关性,尤其是那些观测地球的卫星集。项目团队已经将试点研究的一些结果与2013年发射的美国地球观测Landsat 8的多光谱卫星图像共享。

 

我的同事James Dargan曾在The Quantum Daily上报道过位于波兰克拉科夫的量子宇宙实验室。作为一个太空爱好者,让我着迷的正是位于雅盖隆大学理论物理研究所的量子宇宙实验室。雅盖隆大学被公认为波兰最古老的大学,也是欧洲最早的大学之一。雅盖隆大学曾培养了彻底改变了天文学和量子密码学的著名科学家,其中包括尼古拉·哥白尼,当然还有阿图尔·埃克特。

 

在这一独特丰富的历史背景下,量子宇宙实验室的跨学科团队专注于量子物理学、量子引力和量子宇宙学的基础理论研究。他们的方法具有前瞻性,因为他们利用先进的量子计算和不断创新的量子空间技术(包括 QKD)来研究这些领域,他们的研究在不断增长的十亿美元太空经济中也存在着潜在商业影响。

 

Jakub Mielczarek是量子宇宙实验室的创始人和首席研究员。除了物理学博士学位,Jakub还拥有理论物理学和天文学的双硕士学位,并且具有明显的创业精神。Jakub共同创立了“复杂车库”和“太空花园”。不久前我遇到了Jakub,和他讨论了从大量卫星数据中提取有价值数据所面临的一些挑战。

 

“在欧盟,我们有地球观测哥白尼计划,每天生成几十TB的数据,产生和存储的数据量是巨大的,而波兰也是哥白尼哨兵星座的卫星数据存储中心,如果您不能提取相关信息并区分可以应用不同场景的内容,那么数据本身就没有用处。”

 

QSVM建立在经典计算机中研究最广泛的机器学习算法之上。QSVM从数据集进行训练,用以预测、识别和分类观察是否与特定类别匹配。在这种情况下,QSVM将在完全不同的操作结构和计算架构下进行训练,以识别和分类给定卫星图像中是否存在特定云。图像分辨率范围在高(不到一米)或低(十到数百米)之间变化。该项目还将使用量子算法和经典深度学习算法获得的结果进行比较,从而验证以计算时间和类型分类为基准的成功率。

 

随后,Jakub强调了团队项目的独特价值主张。“在航天工业中,提前几年甚至几十年进行规划很正常,所以我们的目标是根据现有的知识,调查分析量子算法在某些计算问题和数据的空间技术和服务中是否具有加工优势。目前,我们发现量子算法在处理数据和提取相关信息方面比经典算法更具优势,相对于经典算法,它存在所谓的指数加速。然而,鉴于量子计算机的当前实现现状、噪声和量子比特数的限制,这是一个理论,还不能保证我们会达到那个点。当前的挑战是验证通过拥有大量数据和最新量子计算优势,如果一切顺利,我们将在约十年后或更早的时间实现量子计算机的赋能应用。

 

云是普遍存在的。处理云是我们可以开始测试量子算法指数加速的基本问题类型。我们希望通过有效的方法来区分可能影响地面观测可见性的云、水或冰。从现在非常重要的气象学、大气物理学和气候变化的角度来看,您可能对深入了解地球的云层感兴趣。”

 

鉴于他在学术研究和商业应用方面的深入发展,我和Jakub仔细研究了量子计算的新兴领域及其对航天工业的潜在影响。我向Jakub询问了他对未来空间应用的看法。

 

“量子计算技术并不是我们目前拥有的最成熟的量子空间技术。然而,量子计算机近年来取得了很大进展。这就是我们量子宇宙实验室决定进入游戏并利用量子计算技术改变我们的部分研究领域的原因。我们密切关注着技术的发展,已经等待了多年,出现的新机会令人兴奋。 

 

多年来,我一直在考虑使用量子计算机进行量子引力的研究,我喜欢探索新的领域。从如何理解现实和构建时空结构的角度来看,量子引力极其抽象并很基础。十年前,使用量子计算来模拟量子时空还是假想。那个时候,基本没有量子计算机。直到最近几年,量子计算技术才取得如此大的进步。在量子宇宙实验室,我们已经在使用可用的超导量子计算机来模拟时空原子。”

 

位于波兰的Quantum Cosmos Lab(量子宇宙实验室)和KP Labs已经在与ESA一起准备该项目的实验阶段,量子计算和空间应用中令人兴奋的新协同效应才刚刚开始。

发布作者:莫妮卡·埃尔南德斯
译:慕一
编辑:王珩

注:本文编译自“The Quantum Daily”,文章中的信息或所表述的观点意见,均不代表量子前哨同意或支持。

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