科技中国：领先世界的高科技领域

2022-02-09

百科知识 2022年23期

本刊记者

量子科技

2013年，习近平总书记在中国科学院考察时指出，科学家们开始调控量子世界，这将极大推动信息、能源、材料科学发展，带来新的产业革命。2016年，全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，此后率先在国际上实现星地量子通信。2017年，世界首条量子保密通信干线—“京沪干线”正式开通，并与“墨子号”连接，实现世界首次洲际量子保密通信。在量子计算领域，“九章”光量子计算原型机、“祖冲之二号”超导量子计算原型机先后实现“量子优越性”里程碑，使我国成为目前唯一在两种物理体系都实现这一关键技术突破的国家。

量子通信技术

2016年8月16日，世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空，标志着我国空间科学研究迈出了重要一步，也标志着人类对于量子物理的研究，正逐步从理论研究走向现实应用。

2017年，“墨子号”提前完成原定三大科学实验任务：星地双向量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发、星地量子隐形传态。

2017年9月29日，“墨子号”与正式开通的量子保密通信“京沪干线”成功对接，实现了洲际量子保密通信，全球首个星地一体化的广域量子通信网络初具雏形。

2018年1月，中国科学技术大学潘建伟研究团队与奥地利塞林格研究组合作，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600千米的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

2019年8月，潘建伟团队和塞林格研究组再次合作，在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。

2020年6月，潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千千米级基于纠缠的量子密钥分发。

2021年1月，潘建伟研究团队实现新的突破：成功实现4600千米星地量子密钥分发。《自然》杂志评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

2021年6月，潘建伟团队联合济南量子技术研究院基于“济青干线”现场光缆，利用国盾量子硬件平台及上海微系统所的超导探测系统，突破现场远距离高性能单光子干涉技术，分别采用两种技术方案实现500千米量级双场量子密钥分发，创下目前现场无中继光纤量子密钥分发传输最远距离纪录。

2022年5月，潘建伟团队利用“墨子号”首次实现了地球上相距1200千米两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络又迈出了重要一步。

量子计算机

作为21世纪最有前景的前沿科技之一，量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代的标志性技术。研制一台大型量子计算机需要打通量子软件、量子硬件和量子应用全流程，其整体难度不亚于登月。经过几十年不懈探索，目前只有中国和美国两个国家实现了“量子优越性”，而中国是目前世界上唯一一个在超导量子和光量子两大体系下实现“量子优越性”的国家。

2017年5月3日，中国科学院宣布世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算原型机诞生。这个“世界首台”是货真价实的“中国造”。该成果为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

2020年12月，中国科学技术大学潘建伟团队宣布成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，这一突破使我国成为全球第二个（第一个为谷歌的Sycamore ）实现“量子优越性”的国家。

2021年5月，潘建伟团队宣布研制出了62比特可编程超导量子计算原型机—“祖冲之号”，它是目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机。世界最强的超级计算机8年才能完成的任务，用“祖冲之号”量子计算机最短1.2小时就能实现。

2021年10月，“祖冲之二号”与“九章二号”几乎同时被宣布研制成功。经过研究攻关，超导量子计算研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。“祖冲之二号”比当时最快的超级计算机快1000万倍，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高100万倍，使得中国首次在超导体系达到了“量子优越性”里程碑。“九章二号”量子计算机则由76个光子升级到113个光子和144模式，其处理特定问题的速度比传统超级计算机快1亿亿亿倍，而且在编程技术上也进一步提升，在实用化方面大步向前迈进。

量子精密测量

量子精密测量旨在利用量子资源和效应，实现超越经典方法的测量精度，是原子物理、物理光学、电子技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。

2021年1月，我国科学家在量子精密测量实验中同时实现3个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高13.27分贝。

2022年10月，我国科学家首次在国际上实现百千米级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19（相当于时钟在约1千亿年内的误差不超过1秒）。该工作是星地自由空间远距离光学时间频率传递领域的一项重大突破，将对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响。

2019年正式投入运行的新疆准东—安徽皖南±1100千伏特高压直流输电工程是全球最长特高压运输路线，横跨新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽六省区，总长度达到3324千米。这条路线创造了4个世界纪录：输电距离世界第一、输送电量世界第一、技术水平世界第一、电压级别世界第一。该工程成为连接西部边疆与华东地区的“电力丝绸之路”，每年它可以向华东地区输送600億千瓦的电力，这些电量可以满足5000万户家庭用电量。

特高压输电技术不仅带动了我国电工装备制造产业全面升级，而且还走出国门，参与到其他国家的电力建设中。2014年，国家电网公司成功中标巴西美丽山水电站特高压输电工程项目，并于2019年完成全部工程建设。这是巴西最长、输电量最大的一条电力干线，它跨越2000多千米，能满足2200万人口的用电需求，也被称为巴西经济发展的主动脉。近年来，我国还先后与哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古、巴基斯坦等国开展了互联互通特高压技术合作项目，实现了中国特高压输电技术、标准、装备、工程总承包、全产业链输出，创造了350多亿美元的经济效益。

第三代核电技术

核电技术是人类科技对能源利用发展领域的一次重大突破。核能发电不但发电量巨大且成本低廉、可长期利用，缺点则是其安全性一直饱受质疑。核电站一旦出现重大安全事故，不止是爆炸起火那么简单，严重的核辐射污染会造成巨大的次生灾害，长时间难以解决。所以发展更安全高效的核电技术，便成为当今世界发展目标之一，在这一点上，中国核电技术取得了新的突破，代表着当今世界第三代核电技术的先进水平。

目前，我国已拥有两种自主第三代核电技术：国和一号和华龙一号。

2020年9月28日，我国第三代核电自主化标志性成果—国和一号正式发布。国和一号采用“非能动”安全设计理念，单机功率达到150万千瓦，可以满足超过2200万居民的用电需求，是我国自主设计的最大功率的核电机组。

华龙一号是我国在30余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验基础上，研发设计的具有完全自主知识产权的第三代核电技术。华龙一号全球首堆已于2021年1月30日正式投入商业运行，标志着我国在第三代核电技术领域已经打破国外技术垄断，跻身世界前列。采用双层安全壳技术的华龙一号被称为目前世界上最安全的核电站。研发团队还为华龙一号配置了3路供电系统，即使将来出现3路系统都不能供电的情况，华龙一号还有一套不需要电力的应急系统，可以依靠重力等非能动手段导出堆芯热量。华龙一号的设计寿命为60年。通过5套安全系统，华龙一号发生事故的概率从第二代的十万年分之一降低到了百万年分之一。