2021年世界科技發(fā)展回顧：基礎研究精彩紛呈

俄羅斯Russia

啟用貝加爾湖中微子望遠鏡

首次室溫下獲得磁性超導材料

2021年，俄羅斯在基礎研究領(lǐng)域的亮點(diǎn)是，在貝加爾湖中啟用了北半球最大的深水中微子望遠鏡“Baikal-GVD”，用于記錄來(lái)自天體的超高能中微子流，研究地球物理學(xué)、水文學(xué)和淡水生物學(xué)現象，探索宇宙的產(chǎn)生和進(jìn)化過(guò)程?！?/span>Baikal-GVD”體積約半立方米，通過(guò)在貝加爾湖冰中鑿出的一個(gè)長(cháng)方形孔洞，這個(gè)高科技實(shí)驗裝置被安置在距離湖邊約4000米、水深750—1300米的位置。

     俄羅斯薩馬拉大學(xué)首次描述了在宇宙化學(xué)進(jìn)化中起最重要作用的有機分子在太空中的出現過(guò)程，所獲數據擴展了關(guān)于生命出現的概念，并解釋了合成有機物的“星際工廠(chǎng)”的運行機制。這一研究發(fā)現，最簡(jiǎn)單的多環(huán)芳（香）烴、茚可以在符合太空條件的溫度下形成。含有多環(huán)芳（香）烴的小硬碳氫化合物粒子通常被稱(chēng)為星際種子，它實(shí)際上作為合成有機物（如氨基酸和糖）的分子太空工廠(chǎng)而運行。

  莫斯科大學(xué)量子技術(shù)中心開(kāi)通了一條量子安全通信線(xiàn)路，用于校內20個(gè)用戶(hù)組網(wǎng)通信，用戶(hù)之間最遠距離為50公里。俄羅斯電信運營(yíng)商TransTeleCom完成了莫斯科和圣彼得堡間的量子通信干線(xiàn)的建設工作。

  俄羅斯量子中心首次在室溫下獲得了磁性超導材料。相關(guān)實(shí)驗是在釔鐵石榴石單晶膜上進(jìn)行的。該物質(zhì)在某些溫度下具有自發(fā)磁化作用。借助該技術(shù)未來(lái)可創(chuàng )建不需要復雜和昂貴冷卻裝置的量子計算機。

       英國The UK

  首用糾纏光子編碼信息成全息圖

  詳細測量格陵蘭島冰川溫度

       在量子領(lǐng)域，英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家首次找到使用量子糾纏光子將信息編碼為全息圖的方法。這一新型量子全息術(shù)突破了傳統全息方法的局限性，使將來(lái)有可能創(chuàng )建更高分辨率、更低噪聲的圖像，幫助研究人員更好地揭示細胞細節，進(jìn)一步了解生物學(xué)在細胞水平上的功能。

  此外，格拉斯哥大學(xué)領(lǐng)導的國際研究小組還發(fā)現，地上的水可能來(lái)自“天上”——太陽(yáng)。太陽(yáng)風(fēng)由來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子（主要是氫離子）組成，在太陽(yáng)系早期撞擊地球的小行星所攜帶的塵埃顆粒表面產(chǎn)生了水。

  布里斯托大學(xué)量子工程技術(shù)實(shí)驗室的研究人員解釋了一種通過(guò)充當自主代理，使用機器學(xué)習對哈密頓模型進(jìn)行逆向工程的算法。這種新算法對量子系統基本物理原理提供了寶貴見(jiàn)解，有望帶來(lái)量子計算和傳感領(lǐng)域的重大進(jìn)步，并有可能翻開(kāi)科學(xué)研究的新篇章。

  英國劍橋大學(xué)領(lǐng)導的國際研究小組利用光纖傳感技術(shù)，讓激光脈沖通過(guò)光纖光纜傳輸，對格陵蘭島冰川的溫度進(jìn)行了迄今最詳細測量，獲得了從冰川表面直到冰面下1000多米底部非常詳細的溫度測量結果。這項研究將有助科學(xué)家對世界第二大冰川的未來(lái)變動(dòng)情況進(jìn)行更精準建模，從而更好地應對氣候變暖。

       美國The US

  揭示繆子行為異常

  在基本粒子研究方面，費米國家實(shí)驗室和中國科學(xué)家聯(lián)合進(jìn)行繆子反常磁矩實(shí)驗，以前所未有的測量精度，揭示繆子的行為與標準模型理論預測不相符，為新物理的存在提供了強有力證據。由美國科學(xué)家主導的國際向前搜索實(shí)驗（FASER）小組，通過(guò)分析歐洲大型強子對撞機（LHC）提供的數據，首次在LHC上發(fā)現了中微子的“蛛絲馬跡”。

  在量子技術(shù)領(lǐng)域，美國科學(xué)家今年可謂收獲頗豐。美國國家標準技術(shù)研究所團隊使用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進(jìn)入量子糾纏狀態(tài)，發(fā)現了宏觀(guān)物體量子糾纏的直接證據，有助量子網(wǎng)絡(luò )、暗物質(zhì)及引力波研究。哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出可編程量子模擬器，能運行256個(gè)量子比特，有助科學(xué)家在材料科學(xué)、通信技術(shù)等多領(lǐng)域實(shí)現重大突破。IBM公司宣稱(chēng)，其已經(jīng)研制出一臺能運行127個(gè)量子比特的量子計算機“鷹”，這是迄今全球最大的超導量子計算機。

  來(lái)自能源部SLAC國家加速器實(shí)驗室等的科學(xué)家首次直接觀(guān)察到了臨近水分子之間的“量子拖拽”。

  另外，美國和新西蘭科學(xué)家利用激光擠壓并冷卻鋰氣體等，使其密度和溫度變化到足以減少光散射量的程度，由此證明了泡利阻塞效應，未來(lái)有望利用其開(kāi)發(fā)能抑制光的材料，進(jìn)一步提高量子計算機的性能和效率。

  韓 國South Korea

  出臺法律強化對量子技術(shù)支持

  超導核聚變裝置運行創(chuàng )紀錄

       韓國正式出臺《促進(jìn)信息通信振興及融合等相關(guān)法律》，將政府對量子技術(shù)的支持法律化。根據立法，韓國將在政府財政支持的基礎上，建立量子技術(shù)專(zhuān)職管理機構，在政策研究、研發(fā)支持、基礎設施建設、人力培養、技術(shù)標準化等方面發(fā)揮主導作用，同時(shí)，還計劃加大力度培育量子研發(fā)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，向中小企業(yè)提供財政及行政支持。

  韓國超導核聚變裝置KSTAR成功在1億攝氏度下約束等離子體30秒，創(chuàng )下了新的運行紀錄。

  韓國一個(gè)共同研究小組開(kāi)發(fā)的一種量子比特技術(shù)邏輯錯誤率達到10萬(wàn)分之一。

  韓國研究者參與的一項國際共同研究第一次發(fā)現了一種表現出光子雪崩效應的納米材料，具有全新應用前景。

  韓國實(shí)驗物理學(xué)家證實(shí)了理論物理學(xué)界預言的一種液態(tài)金屬的電子結構。

  法 國France

  提出新的量子計算機構架

  揭秘宇宙誕生“第一種物質(zhì)”

  法國于2021年1月宣布啟動(dòng)量子技術(shù)國家戰略，計劃5年內在量子領(lǐng)域投資18億歐元，爭取讓法國有機會(huì )成為“第一個(gè)獲得通用量子計算機完整原型的國家”。該戰略認為，完全掌握量子技術(shù)價(jià)值鏈是法國持久獨立研究的關(guān)鍵，對法國專(zhuān)有技術(shù)和工業(yè)應用方面的主權至關(guān)重要。為此，該戰略旨在為法國量子領(lǐng)域全價(jià)值鏈提供支持，涉及所有量子相關(guān)技術(shù)。法國正在建立以巴黎、薩克雷、格勒諾布爾為中心的量子生態(tài)系統。

  量子研究方面，法國團隊提出了新的量子計算機構架，在傳統的二維陣列量子比特上連接一個(gè)量子記憶體，形成三維架構，從而實(shí)現大幅降低量子計算機所需的量子比特數量。新架構下僅需13436個(gè)量子比特就能破解當前主流的2048位RSA加密，比此前研究中所需兩千萬(wàn)個(gè)量子比特數減少了3個(gè)數量級，這為量子計算機架構設計提供了新方向。

  歐洲核子研究中心（CERN）頻頻有重要發(fā)現。該中心的超環(huán)面儀器實(shí)驗（ATLAS）和緊湊繆子線(xiàn)圈實(shí)驗團隊于2月發(fā)現了希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€(gè)輕子（帶相反電荷的電子或繆子對）和一個(gè)光子——“達利茲衰變”的首個(gè)證據，有助科學(xué)家發(fā)現新物理學(xué)。

  3月，該中心的ALPHA合作組首次用激光冷卻技術(shù)成功冷卻了反氫原子，為更精確測量反氫內部結構及其在引力作用下的行為奠定了基礎。將這些測量結果與氫原子比較，可以揭示物質(zhì)原子和反物質(zhì)原子之間的差異，為反物質(zhì)研究帶來(lái)新視角。該中心的大型強子對撞機（LHC）發(fā)現了4種全新的粒子，它們是4種不同的四夸克態(tài)。迄今為止，LHC共發(fā)現59種新強子。

  6月，該中心利用LHC重現了宇宙大爆炸第一個(gè)0.000001秒內存在的唯一物質(zhì)夸克—膠子等離子體（QGP）。研究發(fā)現，夸克—膠子等離子體具有光滑柔軟的質(zhì)地，這與此前的預測以及所知道的任何其他物質(zhì)都不同。

  7月，該中心大型強子對撞機底夸克（LHCb）實(shí)驗團隊發(fā)現了一種新物質(zhì)粒子Tcc+，這個(gè)4夸克粒子是一種奇異強子，是迄今最“長(cháng)壽”的奇異物質(zhì)粒子，也是首個(gè)包含2個(gè)重夸克和2個(gè)輕反夸克的粒子，由2個(gè)粲夸克和1個(gè)反上夸克、1個(gè)反下夸克組成。這一發(fā)現有助對標準模型理論開(kāi)展測試并揭示新現象。

  12月，在LHC的新探測器進(jìn)行試運行時(shí)探測到中微子，這是首次在粒子加速器內部發(fā)現中微子。

  烏克蘭Ukraine

  發(fā)明基于超材料的射頻檢測器

  新不透明閃爍介質(zhì)能檢測粒子

       2021年3月，烏克蘭科學(xué)院放射物理與電子研究所發(fā)明了一種基于超材料的射頻非接觸式檢測器，可用于檢測乙醇水溶液中是否含有甲醇。研究人員使用所謂的超材料作為探測器，將裝有被研究液體的容器置于金屬間膜附近并激發(fā)其共振場(chǎng)，使用電動(dòng)力學(xué)公式描述相應的相互作用。這意味著(zhù)，如果特性未知的天然物質(zhì)與特性已知的超材料發(fā)生電磁接觸，就能夠通過(guò)標準微波技術(shù)和設備記錄超材料的特性來(lái)識別特性未知的天然物質(zhì)，這一方法目前盡管還處于實(shí)驗室階段，但被認為應用前景廣闊。

  以色列Israel

  國家計劃作為支撐

  全面發(fā)力量子領(lǐng)域

  2021年3月，以色列國防部和創(chuàng )新局稱(chēng)將投資6000萬(wàn)美元建立以色列首臺量子計算機，計算能力約為30—40量子比特。該項目是以色列2019年推出的“國家量子能力計劃”的一部分，該計劃將在量子領(lǐng)域投資3.8億美元。除發(fā)力量子計算領(lǐng)域，該計劃還向5家公司和8個(gè)學(xué)術(shù)團體投資4000萬(wàn)美元，推動(dòng)量子雷達等新型量子傳感器的研究，其中本古里安大學(xué)已研制出一個(gè)緊湊、堅固的冷原子鐘和一個(gè)靈敏的磁原子傳感器。

  德 國Germany

  推出歐洲首臺量子計算機

  精確控制原子核量子躍遷

  德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì )與IBM公司合作研發(fā)的歐洲第一臺商用量子計算機正式面市。這臺有27個(gè)量子位的計算機的基本粒子部件由美國IBM生產(chǎn)，冷卻系統來(lái)自芬蘭，控制系統在德國研發(fā)。與此同時(shí)，德國在下薩克森州的“量子谷”組建一個(gè)國際團隊，基于一種可使離子單獨存在并被存儲的基礎技術(shù)開(kāi)發(fā)新的量子計算機。此外，德國政府部門(mén)首次通過(guò)量子通信技術(shù)在柏林和波恩之間舉行了視頻會(huì )議。

  以國家大科學(xué)工程為核心的亥姆霍茲聯(lián)合會(huì )下屬各中心繼續開(kāi)拓前進(jìn)。例如，于利希研究中心通過(guò)使用4個(gè)特殊的尖端掃描隧道顯微鏡，首次實(shí)現直接測量超薄拓撲絕緣體中存在的非凡電性能；開(kāi)發(fā)了一種微型紅外探測器，可使用壓控開(kāi)關(guān)控制兩個(gè)不同的紅外波段的光譜響應。柏林亥姆霍茲中心（HZB）研發(fā)可精確測量“臺式粒子加速器”的電子束橫截面的方法，推動(dòng)新的加速器技術(shù)在醫學(xué)和研究中的應用?？査刽敹蚶砉W(xué)院研發(fā)新型法布里—珀羅諧振器，可追蹤納米顆粒在空間中的運動(dòng)，可用于蛋白質(zhì)、DNA折疊或病毒的表征；開(kāi)發(fā)了一種新型氣體分子傳感器，可精確實(shí)現分子特異性檢測。

  以基礎研究為主要任務(wù)的馬克斯·普朗克學(xué)會(huì )下屬各個(gè)研究所也碩果累累。例如，量子光學(xué)研究所首次在不同實(shí)驗室分隔的量子模塊間實(shí)現量子邏輯運算，為分布式量子計算開(kāi)辟了新的發(fā)展路徑。智能系統研究所錄制了世界首個(gè)時(shí)空晶體視頻。生物物理化學(xué)研究所開(kāi)發(fā)出新的光學(xué)顯微鏡方法，能夠分辨間隔只有幾納米的單個(gè)分子。煤炭研究所研制出在室溫和普通大氣壓下合成氨氣的新方法。核物理研究所首次利用X射線(xiàn)精確控制了原子核的量子躍遷。光學(xué)研究所設計了一種實(shí)驗，在檢測光子的同時(shí)能夠避免光子淬滅。分子細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所發(fā)現，巖石孔隙中的氣泡可能是早期地球生命的搖籃。

  德國科學(xué)家在一枚探測火箭上首次成功實(shí)現了太空原子干涉測量。鑒于原子干涉儀可利用原子的波動(dòng)特性開(kāi)展極精確測量，如測量地球的引力場(chǎng)或探測引力波等，新研究有望更精確探測引力波。

  日 本Japan

  首次精確測量超重元素質(zhì)量

  明確磁性斯格明子晶體機制

  2021年3月，日本Mercari公司、東京大學(xué)和大阪大學(xué)研究人員計劃在5年內建立起采用新方式的短距離通信網(wǎng)，以實(shí)現一個(gè)“絕對安全”的量子互聯(lián)網(wǎng)。該“量子互聯(lián)網(wǎng)特別工作組”在2月份公開(kāi)的業(yè)務(wù)計劃書(shū)中，公布了建立量子互聯(lián)網(wǎng)測試環(huán)境的方案。

  日本高能加速器研究機構（KEK）、理化學(xué)研究所及九州大學(xué)等組成的國際聯(lián)合研究團隊，利用理研的重離子加速器設施“RI Beam Factory”（RIBF）中的充氣式反跳核分離器（GARIS-Ⅱ）和多反射型飛行時(shí)間測量質(zhì)譜儀（MRTOF），成功地精確測量出了原子序數為105的超重元素Db同位素257Db的質(zhì)量。

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