當前動態(tài):“室溫超導”走紅全網！它能讓天氣預報更準？

室溫超導

究竟是什么~

室溫超導真的來了？

(相關資料圖)

近日，來自羅徹斯特大學的Ranga Dias團隊宣布合成了一種超導材料，能在21℃室溫，僅1萬個大氣壓的條件下實現超導性能。比起以往的超導材料，其所需大氣壓下降了兩個數量級。

這對于常溫超導研究簡直是一個重磅炸彈，瞬間點燃了人們討論的熱情。

Ranga Dias教授報告現場

然而，Dias的研究經歷也不斷被扒出：曾經轟動一時的金屬氫以及它離奇消失的事情，登上《Nature》封面又被撤稿的事情，和理論物理大神Jorge Hirsch的“對峙”……一番操作下，他的室溫超導研究的八卦屬性被拉滿了。

我們且不說Dias室溫超導的研究

是真是假

如果未來室溫超導能大范圍推廣應用

氣象領域會迎來怎樣的技術變革？

氣象預報會因此變得更準嗎？

我們大膽展望一下~

等等，先科普兩個概念

什么是“超導”：超導，指導體在特定溫度下，電阻為零的狀態(tài)。超導體不僅具有零電阻的特性，另一個重要特征是完全抗磁性，在電力、通信、軍事以及醫(yī)療等領域有很好的應用前景。

何為“室溫超導”：室溫超導是指超導體在室溫下出現超導現象。傳統(tǒng)上，超導體需要 在-200℃乃至接近絕對零度的極低溫度下工作，這無疑限制了其廣泛應用。室溫超導的出現將為超導技術帶來革命性變革，可能會帶來巨大的經濟和科技上的影響。

01

超導濾波器

讓氣象雷達“起死回生”？

首先，是超導在氣象雷達領域的應用。

其實約二十年前，我國科學家就曾嘗試將氣象雷達改造成為超導雷達，而且效果相當不錯，得到國際同行專家高度評價。

起因是這樣的——

我國最早投入氣象領域的風廓線雷達頻率在930MHz左右。北京城市氣象研究院當時購置了該型號系列的風廓線雷達，放置在海淀區(qū)城鄉(xiāng)結合部某公園。

位于北京市海淀區(qū)某公園的風廓線雷達

后來，由于廣播、電視等信號的增加，特別是移動通信的急劇發(fā)展，風廓線雷達受到電磁信號的干擾越來越嚴重。

我們聯系到當時參與超導雷達試驗項目的北京城市氣象研究院城市邊界層與高影響天氣機理研究室的張京江，據他回憶：

“

當時1000米到1500米這段能有探測數據，到了高層數據都探測不到了，另外時間上不連續(xù)，一段有數據一段空白。

”

問題的嚴重性在于，由于干擾的存在可能造成虛假信號（或異常信號），有時難以判定觀察到的現象是源于天氣變化還是來自電磁干擾，很可能導致誤判、誤報，甚至帶來嚴重后果。

雷達的工作帶寬較窄，常規(guī)技術很難提供合適的預選濾波器，導致雷達接收機前級對鄰頻干擾信號缺乏足夠的抵抗能力。

針對這樣的情況，中國科學院物理研究所專家提出以極窄帶超導濾波器、低噪聲放大器和制冷機組成的超導微波子系統(tǒng)替代雷達前端中的低噪聲放大器，來提高雷達的抗干擾能力和靈敏度。

高溫超導子系統(tǒng)與風溫廓線雷達聯機試驗現場 (左圖為雷達天線,右圖為雷達接收機和高溫超導子系統(tǒng) )

實測結果表明，使用超導子系統(tǒng)后，雷達的靈敏度提高了2.4倍（3.8ｄＢ）。抗干擾能力因為增設了超導濾波器的緣故，提高幅度達到7萬倍以上（48.4ｄＢ）。

再看干擾存在時，常規(guī)雷達系統(tǒng)和超導雷達系統(tǒng)的實際測風能力——

風溫廓線雷達完成的風廓線測量圖。在有干擾時常規(guī)系統(tǒng)無法給出2000米以上高空的風廓線，而高溫超導子系統(tǒng)仍能保證測量正常進行

也就是說，含有高溫超導微波子系統(tǒng)的雷達前端比較常規(guī)雷達前端確實具有明顯的優(yōu)勢，可以極為有效地增強風溫廓線雷達系統(tǒng)的抗干擾能力。

常規(guī)風廓線雷達和高溫超導子系統(tǒng)結構框圖

這次試驗的成功，為利用超導技術進一步提高氣象雷達的性能提供了契機。不過受限于使用環(huán)境和使用成本，該技術尚未在氣象雷達業(yè)務中廣泛應用。

張京江說：

“

如果室溫超導真的實現了，而且應用成本也能降下來的話，在氣象雷達領域應該也會有非常好的應用前景。

”

02

當超導量子計算機

“邂逅”數值天氣預報

量子計算有望為人類提供超乎想象的計算能力，從而給各個領域乃至我們日常生活帶來極其深遠的影響，其潛力也包括應用于極其復雜的數值預報模式。

《氣象高質量發(fā)展綱要(2022—2035年)》提出，加強人工智能、大數據、量子計算與氣象深度融合應用。“量子計算”作為關鍵核心技術被重點提及，其戰(zhàn)略重要性不言而喻。

氣象預測需要分析包括溫度、濕度、風速風向和地磁等多個動態(tài)變量在內的大量數據，使用傳統(tǒng)經典計算機開發(fā)數值天氣和氣候預測模型存在局限性，無法跟上不斷變化的復雜天氣。

量子計算是一種全新的計算模式，具有顛覆性的算力。通過量子人工智能算法，結合歷史氣象數據，將有助于改善氣象災害預測，減少災害損失。此外，對于理解天氣至關重要的模式識別可以利用量子機器學習來增強。

加強量子計算與氣象深度融合應用，將為我國發(fā)展精細氣象服務系統(tǒng)，打造氣象信息支撐系統(tǒng)注入強大動力。

而超導態(tài)是一種典型的宏觀量子現象，因為參與超導電性的粒子是宏觀量級的庫珀對高度重疊而形成的集體行為。這種宏觀量子性，為超導量子比特奠定了易于耦合、易于操控也易于讀取的先天條件。Google、IBM、Intel等都參加到了量子計算研發(fā)的行列中來，而他們都選擇的是超導的方案。可以說，超導量子計算，已經成為目前最有前景的量子計算實現方案之一。

我們有理由相信，當數值預報用上室溫超導量子計算機，我們的天氣預報一定會有極大的改善……

超導技術出現至今

已經有幾十年了

它的大規(guī)模應用還有不少難點

如果室溫超導真的能夠大規(guī)模應用

將給氣象領域在內的各行各業(yè)

帶來深遠的影響

我們期待著那一天

未來可期

責任編輯：Rex_21