科技中國：領(lǐng)先世界的高科技領(lǐng)域

本刊記者

量子科技

2013年，習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院考察時指出，科學(xué)家們開始調(diào)控量子世界，這將極大推動信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來新的產(chǎn)業(yè)革命。2016年，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，此后率先在國際上實現(xiàn)星地量子通信。2017年，世界首條量子保密通信干線—“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”連接，實現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。在量子計算領(lǐng)域，“九章”光量子計算原型機、“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算原型機先后實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑，使我國成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)突破的國家。

量子通信技術(shù)

2016年8月16日，世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”順利升空，標志著我國空間科學(xué)研究邁出了重要一步，也標志著人類對于量子物理的研究，正逐步從理論研究走向現(xiàn)實應(yīng)用。

2017年，“墨子號”提前完成原定三大科學(xué)實驗任務(wù)：星地雙向量子糾纏分發(fā)、星地高速量子密鑰分發(fā)、星地量子隱形傳態(tài)。

2017年9月29日，“墨子號”與正式開通的量子保密通信“京滬干線”成功對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通信，全球首個星地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)初具雛形。

2018年1月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團隊與奧地利塞林格研究組合作，在中國和奧地利之間首次實現(xiàn)距離達7600千米的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。該成果標志著“墨子號”已具備實現(xiàn)洲際量子保密通信的能力。

2019年8月，潘建偉團隊和塞林格研究組再次合作，在國際上首次成功實現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。這是科學(xué)家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態(tài)擴展到任意維度，為復(fù)雜量子系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸以及發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

2020年6月，潘建偉團隊利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千千米級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。

2021年1月，潘建偉研究團隊實現(xiàn)新的突破：成功實現(xiàn)4600千米星地量子密鑰分發(fā)。《自然》雜志評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是量子通信“巨大的工程性成就”。

2021年6月，潘建偉團隊聯(lián)合濟南量子技術(shù)研究院基于“濟青干線”現(xiàn)場光纜，利用國盾量子硬件平臺及上海微系統(tǒng)所的超導(dǎo)探測系統(tǒng)，突破現(xiàn)場遠距離高性能單光子干涉技術(shù)，分別采用兩種技術(shù)方案實現(xiàn)500千米量級雙場量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)下目前現(xiàn)場無中繼光纖量子密鑰分發(fā)傳輸最遠距離紀錄。

2022年5月，潘建偉團隊利用“墨子號”首次實現(xiàn)了地球上相距1200千米兩個地面站之間的量子態(tài)遠程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡(luò)又邁出了重要一步。

量子計算機

作為21世紀最有前景的前沿科技之一，量子計算是芯片尺寸突破經(jīng)典物理極限的必然產(chǎn)物，是后摩爾時代的標志性技術(shù)。研制一臺大型量子計算機需要打通量子軟件、量子硬件和量子應(yīng)用全流程，其整體難度不亞于登月。經(jīng)過幾十年不懈探索，目前只有中國和美國兩個國家實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，而中國是目前世界上唯一一個在超導(dǎo)量子和光量子兩大體系下實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

2017年5月3日，中國科學(xué)院宣布世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算原型機誕生。這個“世界首臺”是貨真價實的“中國造”。該成果為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了基礎(chǔ)。

2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊宣布成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，這一突破使我國成為全球第二個（第一個為谷歌的Sycamore ）實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

2021年5月，潘建偉團隊宣布研制出了62比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機—“祖沖之號”，它是目前國際上超導(dǎo)量子比特數(shù)量最多的量子計算原型機。世界最強的超級計算機8年才能完成的任務(wù)，用“祖沖之號”量子計算機最短1.2小時就能實現(xiàn)。

2021年10月，“祖沖之二號”與“九章二號”幾乎同時被宣布研制成功。經(jīng)過研究攻關(guān)，超導(dǎo)量子計算研究團隊構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務(wù)的快速求解。“祖沖之二號”比當(dāng)時最快的超級計算機快1000萬倍，計算復(fù)雜度比谷歌的超導(dǎo)量子計算原型機“懸鈴木”高100萬倍，使得中國首次在超導(dǎo)體系達到了“量子優(yōu)越性”里程碑。“九章二號”量子計算機則由76個光子升級到113個光子和144模式，其處理特定問題的速度比傳統(tǒng)超級計算機快1億億億倍，而且在編程技術(shù)上也進一步提升，在實用化方面大步向前邁進。

量子精密測量

量子精密測量旨在利用量子資源和效應(yīng)，實現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測量精度，是原子物理、物理光學(xué)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的綜合技術(shù)。

2021年1月，我國科學(xué)家在量子精密測量實驗中同時實現(xiàn)3個參數(shù)達到海森堡極限精度的測量，測量精度比經(jīng)典方法提高13.27分貝。

2022年10月，我國科學(xué)家首次在國際上實現(xiàn)百千米級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，時間傳遞穩(wěn)定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19（相當(dāng)于時鐘在約1千億年內(nèi)的誤差不超過1秒）。該工作是星地自由空間遠距離光學(xué)時間頻率傳遞領(lǐng)域的一項重大突破，將對暗物質(zhì)探測、物理學(xué)基本常數(shù)檢驗、相對論檢驗等基礎(chǔ)物理學(xué)研究產(chǎn)生重要影響。

2019年正式投入運行的新疆準東—安徽皖南±1100千伏特高壓直流輸電工程是全球最長特高壓運輸路線，橫跨新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽六省區(qū)，總長度達到3324千米。這條路線創(chuàng)造了4個世界紀錄：輸電距離世界第一、輸送電量世界第一、技術(shù)水平世界第一、電壓級別世界第一。該工程成為連接西部邊疆與華東地區(qū)的“電力絲綢之路”，每年它可以向華東地區(qū)輸送600億千瓦的電力，這些電量可以滿足5000萬戶家庭用電量。

特高壓輸電技術(shù)不僅帶動了我國電工裝備制造產(chǎn)業(yè)全面升級，而且還走出國門，參與到其他國家的電力建設(shè)中。2014年，國家電網(wǎng)公司成功中標巴西美麗山水電站特高壓輸電工程項目，并于2019年完成全部工程建設(shè)。這是巴西最長、輸電量最大的一條電力干線，它跨越2000多千米，能滿足2200萬人口的用電需求，也被稱為巴西經(jīng)濟發(fā)展的主動脈。近年來，我國還先后與哈薩克斯坦、俄羅斯、蒙古、巴基斯坦等國開展了互聯(lián)互通特高壓技術(shù)合作項目，實現(xiàn)了中國特高壓輸電技術(shù)、標準、裝備、工程總承包、全產(chǎn)業(yè)鏈輸出，創(chuàng)造了350多億美元的經(jīng)濟效益。

第三代核電技術(shù)

核電技術(shù)是人類科技對能源利用發(fā)展領(lǐng)域的一次重大突破。核能發(fā)電不但發(fā)電量巨大且成本低廉、可長期利用，缺點則是其安全性一直飽受質(zhì)疑。核電站一旦出現(xiàn)重大安全事故，不止是爆炸起火那么簡單，嚴重的核輻射污染會造成巨大的次生災(zāi)害，長時間難以解決。所以發(fā)展更安全高效的核電技術(shù)，便成為當(dāng)今世界發(fā)展目標之一，在這一點上，中國核電技術(shù)取得了新的突破，代表著當(dāng)今世界第三代核電技術(shù)的先進水平。

目前，我國已擁有兩種自主第三代核電技術(shù)：國和一號和華龍一號。

2020年9月28日，我國第三代核電自主化標志性成果—國和一號正式發(fā)布。國和一號采用“非能動”安全設(shè)計理念，單機功率達到150萬千瓦，可以滿足超過2200萬居民的用電需求，是我國自主設(shè)計的最大功率的核電機組。

華龍一號是我國在30余年核電科研、設(shè)計、制造、建設(shè)和運行經(jīng)驗基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)。華龍一號全球首堆已于2021年1月30日正式投入商業(yè)運行，標志著我國在第三代核電技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)打破國外技術(shù)壟斷，躋身世界前列。采用雙層安全殼技術(shù)的華龍一號被稱為目前世界上最安全的核電站。研發(fā)團隊還為華龍一號配置了3路供電系統(tǒng)，即使將來出現(xiàn)3路系統(tǒng)都不能供電的情況，華龍一號還有一套不需要電力的應(yīng)急系統(tǒng)，可以依靠重力等非能動手段導(dǎo)出堆芯熱量。華龍一號的設(shè)計壽命為60年。通過5套安全系統(tǒng)，華龍一號發(fā)生事故的概率從第二代的十萬年分之一降低到了百萬年分之一。

我國是全球范圍內(nèi)在建核電項目最多的國家。中國核電發(fā)展計劃在2035年之前再新建約100座核反應(yīng)堆，將中國的核電發(fā)電量占比提升到總體發(fā)電量的10%，目前已經(jīng)初期啟動了其中的14個核電項目。