一只大黑貓　毛新愿

《科學(xué)Fans》在2016年9期，曾經(jīng)做過關(guān)于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡(jiǎn)稱FAST）的專題。這座望遠(yuǎn)鏡的鏡面直徑500米，焦比達(dá)0.467，其主體工程于2011年開工，2016年落成。它也是目前世界上最大的單一口徑、填充口徑（即全口徑均有反射面的）射電望遠(yuǎn)鏡，它代表著我國(guó)在天文研究方面，已處于世界領(lǐng)先水平。

而在我國(guó)科研技術(shù)其他領(lǐng)域，類似于FAST“天眼”這樣，在世界上位于前列的“超級(jí)工程”，其實(shí)比比皆是。

嫦娥四號(hào)：代表人類首次探索月球背面

人們已經(jīng)習(xí)慣抬頭望月，但很少有人注意到：從古至今看到的月球表面幾乎沒變過。這是由于地球強(qiáng)大引力的影響，月球圍繞地球一圈的公轉(zhuǎn)周期完全等于它的自轉(zhuǎn)周期。從地球上，基本只能看到當(dāng)初它被固定朝向地球的一面。

因此，盡管月球背面研究?jī)r(jià)值極高，但由于月球本身的阻擋，人類很難與月球背面通信，更不用說登陸探索了。人類長(zhǎng)期以來的月球著陸器，甚至大名鼎鼎的阿波羅11號(hào)，都只選擇了正面登月。

登上月球背面的嫦娥四號(hào)

月球正面（左）和月球背面（右）看起來截然不同

2018年12月8日，中國(guó)嫦娥四號(hào)登月探測(cè)器從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空，在進(jìn)入環(huán)繞月球軌道后，于2019年1月3日成功著陸月球背后。就此，中國(guó)成為第一個(gè)抵達(dá)月球背面的國(guó)家。而為了這次壯舉，中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了兩大技術(shù)創(chuàng)新。

鵲橋中的中繼衛(wèi)星

為了解決嫦娥四號(hào)的通信問題，2018年5月，中國(guó)就成功部署了鵲橋號(hào)中繼衛(wèi)星，在月球背后6.5萬公里之外的地月拉格朗日二點(diǎn)附近暈輪軌道簇上運(yùn)行。

這是人類歷史上首顆月球信號(hào)中繼衛(wèi)星，它架起了地球和月球背后的“鵲橋”，將全程見證嫦娥四號(hào)的探測(cè)過程。

嫦娥四號(hào)通過鵲橋號(hào)中繼星實(shí)現(xiàn)與地球通信

創(chuàng)新的著陸方式

月球背面地理情況復(fù)雜，降落的難度大大增加，對(duì)嫦娥四號(hào)著陸時(shí)的避障要求也遠(yuǎn)高于其他在月球正面著陸的任務(wù)。因此，中國(guó)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)為嫦娥四號(hào)設(shè)計(jì)了富有創(chuàng)新性的著陸方式。

可以看出，在進(jìn)入準(zhǔn)備階段后，嫦娥四號(hào)的軌跡不降反升，而后進(jìn)入一個(gè)幾乎要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離垂直下降的過程，期間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過程，難度極大。這么一個(gè)復(fù)雜的“走位”，對(duì)自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制要求極高。

除了中繼衛(wèi)星和著陸方式兩大技術(shù)創(chuàng)新之外，嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器還有其他值得稱道的技術(shù)。為了應(yīng)對(duì)月球背面的低溫環(huán)境，嫦娥四號(hào)上攜帶了放射性同位素钚一238核電池，钚-238在長(zhǎng)達(dá)88年的半衰期內(nèi)會(huì)源源不斷釋放熱量，這些熱量既可給探測(cè)器保溫，又能為探測(cè)器發(fā)電。這也是中國(guó)首次實(shí)驗(yàn)自己的核電池技術(shù)。

此外，嫦娥四號(hào)攜帶了多個(gè)與荷蘭、瑞典、德國(guó)、沙特合作的國(guó)際載荷。它不僅是中國(guó)的，更是全世界的。它的科學(xué)和工程意義，對(duì)整個(gè)人類而言都是重大突破。

世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星：墨子號(hào)

“量子”這個(gè)概念，自從20世紀(jì)初被普朗克提出，已有百余年歷史。關(guān)于量子的研究，至今依然是理論物理的前沿領(lǐng)域。它也與其他科技行業(yè)結(jié)合，產(chǎn)生了許多技術(shù)層面的應(yīng)用，量子通信就是其中之一。

量子通信，簡(jiǎn)而言之是以量子為介質(zhì)的通信的一種技術(shù)。目前對(duì)它的研究主要有兩個(gè)方向：量子密鑰分配與量子隱形傳態(tài)。前者是通過量子的不可測(cè)量和不可克隆性對(duì)信息進(jìn)行加密，具有極高安全性。后者則是通過量子糾纏現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)信息的超距離傳輸。

在國(guó)際上，量子通信的技術(shù)應(yīng)用方案在1993年就被提出。4年后，在奧地利科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中正式完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并隨著研究的推進(jìn)，已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化。量子通信，也代表了未來通信技術(shù)發(fā)展的方向。

墨子號(hào)登上Science雜志封面

后來居上，中國(guó)量子通信研究屢創(chuàng)奇跡

在這場(chǎng)量子通信研究的國(guó)際賽跑中，中國(guó)屬于后來者，但在這個(gè)方向上我們一直奮起直追。用了短短十多年時(shí)間，將量子通信，從實(shí)驗(yàn)室理論轉(zhuǎn)化成了可投入實(shí)際應(yīng)用的科技成果，建成了可以服務(wù)于商業(yè)、政務(wù)、民用的量子通信網(wǎng)絡(luò)。在這過程中也涌現(xiàn)了郭光燦、潘建偉、王建宇等專家?guī)ьI(lǐng)的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)。

2004年，郭光燦團(tuán)隊(duì)完成了途經(jīng)北京—河北—天津的量子密鑰分配。

2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

2008年，潘建偉團(tuán)隊(duì)建成基于商用光纖的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2009年，郭光燦團(tuán)隊(duì)建成世界上第一個(gè)“量子政務(wù)網(wǎng)”。

2011年，王建宇團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“星地量子通信系統(tǒng)”，能實(shí)現(xiàn)星地之間的量子通信。

2012年，合肥市城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)建成并進(jìn)入試運(yùn)行階段。

2013年，中科院在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面試驗(yàn)。

而墨子號(hào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，是量子通信眾多科研成就中最為耀眼的一個(gè)。

世界第一：墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

2016年8月16日凌晨，我國(guó)第一顆，同時(shí)也是世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在酒泉發(fā)射基地發(fā)射升天，這顆衛(wèi)星，被命名為墨子號(hào)。項(xiàng)目的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，正是曾在量子通信方面取得過卓越成就的潘建偉團(tuán)隊(duì)。

墨子號(hào)的升空，標(biāo)志著我國(guó)已構(gòu)建出全球首個(gè)天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，在世界量子通信理論以及應(yīng)用研究方面，走在了最前列。

在升空后，墨子號(hào)一直表現(xiàn)良好，到今年年初，它順利完成了星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作，并繼續(xù)保持良好狀態(tài)。預(yù)計(jì)墨子號(hào)將超出預(yù)期使用壽命，繼續(xù)工作至少2年以上，并展開更多國(guó)際合作。

正因?yàn)槟犹?hào)的出色表現(xiàn)，潘建偉教授團(tuán)隊(duì)在2019年1月31日，被美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)。這也是該獎(jiǎng)項(xiàng)90多年來首次頒給中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)。

中國(guó)與奧地利合作，通過墨子號(hào)成功實(shí)現(xiàn)距離長(zhǎng)達(dá)7600km的洲際量子密鑰分配通信實(shí)驗(yàn)

墨子號(hào)衛(wèi)星部分零部件

國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威系列

自從1976年，美國(guó)克雷公司研發(fā)出世界上首臺(tái)運(yùn)算速度達(dá)每秒2.5億次的計(jì)算機(jī)克雷1號(hào)，“超級(jí)計(jì)算機(jī)”終于從一個(gè)科幻概念變成了現(xiàn)實(shí)。一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，一定要擁有超過普通個(gè)人電腦若干個(gè)數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量以及運(yùn)算速度?？梢栽谠S多科研領(lǐng)域完成人類或者普通計(jì)算機(jī)無法勝任的數(shù)據(jù)處理工作：空氣動(dòng)力模擬、氣候變化預(yù)測(cè)、建筑設(shè)計(jì)中的力學(xué)計(jì)算、基因測(cè)序……現(xiàn)代科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，往往都涉及超海量的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，因此一臺(tái)出色的超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以說是推動(dòng)科研進(jìn)步的神器。

從零開始，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)俗登頂業(yè)界榜首

比起美國(guó)，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)起步較晚，1983年研發(fā)出第一臺(tái)自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)銀河一號(hào)，成為繼美國(guó)、日本之后第三個(gè)能獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家。但中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展速度很快，到了2016年，德國(guó)法蘭克福國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)大會(huì)（ISC）公布的世界上處理速度最決的超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單中，中國(guó)已有167臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上榜，超越美國(guó)165臺(tái)成為上榜最多的國(guó)家。而居于榜首的超級(jí)計(jì)算機(jī)，同樣出自中國(guó)，它有著—個(gè)頗具武俠范兒的名字——神威·太湖之光。

值得一提的是，被它從榜首位置上拉下來的第二名天河二號(hào)，同樣出自中國(guó)，在此之前，天河二號(hào)已經(jīng)盤踞TOP500榜首3年了。

神威·太湖之光整體：由8臺(tái)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜和40臺(tái)運(yùn)算機(jī)柜構(gòu)成

神威·太湖之光總架構(gòu)

自主研發(fā)，超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠

神威系列超級(jí)計(jì)算機(jī)，是我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)主要四個(gè)系列之一（其他三個(gè)分別是銀河、曙光、天河），從1999年的神威|開始，神威太湖之光已經(jīng)是該系列的第四臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，它共有40960塊處理器，每個(gè)單個(gè)處理器有260個(gè)核心，其持續(xù)運(yùn)算速度可達(dá)到930100000億次/秒。

作為神威系列第四臺(tái)計(jì)算機(jī)，神威太湖之光更為重要的意義在于，作為超級(jí)計(jì)算機(jī)核心部件的處理器，首度采用中國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的申威26010處理器，這意味著中國(guó)今后的超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)，不再受制于國(guó)外處理器廠商。

2018年8月，神威系列最新超級(jí)計(jì)算機(jī)：神威E級(jí)超算原型機(jī)已研發(fā)完成并正式投入啟用。新的超算原型機(jī)運(yùn)算速度能達(dá)到每秒百億億次，它將成為超級(jí)計(jì)算機(jī)界的“下一頂皇冠”。

神威·太湖之光

神威·太湖之光采用的國(guó)有自主研發(fā)申威26010處理器

神威E級(jí)超算原型機(jī)

復(fù)興號(hào)：“中國(guó)速度”創(chuàng)造的奇跡

中國(guó)幅員遼闊，領(lǐng)土跨越5個(gè)時(shí)區(qū)，東西最長(zhǎng)距離約5200公里，南北距離約為5500公里。再加上國(guó)內(nèi)地形復(fù)雜多變，要滿足國(guó)人的交通運(yùn)輸方面的需求，是一大難題。作為全世界公認(rèn)的“基建狂魔”，中國(guó)在這方面對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的投入不遺余力，“中國(guó)速度”四個(gè)字，足以概括我們?cè)谶@方面所創(chuàng)造的奇跡。而中國(guó)的高鐵建設(shè)，是這些奇跡最直觀的寫照。

高鐵戰(zhàn)略：從引進(jìn)吸收轉(zhuǎn)化到自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

對(duì)中國(guó)高鐵的發(fā)展來說，2004年是一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在此之前，中國(guó)曾經(jīng)自主研發(fā)了多款用于高速鐵路上運(yùn)行的電力動(dòng)車組，但由于整體核心技術(shù)不成熟，所以難以商業(yè)化。2004年，中國(guó)改變策略，從完全自主研發(fā)，變?yōu)閺膰?guó)外引進(jìn)高速列車與技術(shù)，并盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)外引進(jìn)技術(shù)的吸收與轉(zhuǎn)化。同時(shí)，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)中國(guó)大陸第一個(gè)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，正式宣布規(guī)劃建設(shè)里程超過12萬千米的客運(yùn)專線，客車速度目標(biāo)值達(dá)到每小時(shí)200千米及以上。

僅用了4年時(shí)間，中國(guó)在大力加強(qiáng)高速鐵路網(wǎng)線基礎(chǔ)建設(shè)的同時(shí)，鐵路客車制造商通過部件、設(shè)計(jì)的改進(jìn)、技術(shù)吸收和技術(shù)轉(zhuǎn)化，已經(jīng)積累了足夠多的經(jīng)驗(yàn)，開始實(shí)現(xiàn)制造下一代高速列車的目標(biāo)。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高速列車再次被提上議事日程。

中國(guó)高速鐵路網(wǎng)（預(yù)計(jì)至2020年）

和諧號(hào)動(dòng)車組

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組

中國(guó)速度：復(fù)興號(hào)背后，一個(gè)個(gè)高鐵世界紀(jì)錄

2008年2月，科技部、鐵道部共同簽署《中國(guó)高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃》，提出中國(guó)將建立并完善具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的時(shí)速350千米及以上中國(guó)高速鐵路技術(shù)體系。

在這過程中，中國(guó)高鐵建設(shè)創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)世界紀(jì)錄：

2010年，京滬高鐵棗莊至蚌埠試驗(yàn)段，CRH380AL（和諧號(hào)）創(chuàng)造運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高一486.1公里。

2012年，世界首條新建高寒地區(qū)高鐵——哈大高鐵投入運(yùn)營(yíng)。

2012年，世界單條運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)高鐵——京廣高鐵全線開通運(yùn)營(yíng)。

2014年，世界上一次性建成里程最長(zhǎng)的高鐵——全場(chǎng)1776公里的蘭新高鐵全線貫通。

2017年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.7萬公里，其中高鐵2.5萬公里，占世界高鐵總量的66.3%，是當(dāng)之無愧的世界冠軍。

2012年開始，中國(guó)鐵路總公司開始相關(guān)自主產(chǎn)權(quán)電力動(dòng)車組的研制，2013年“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”動(dòng)車組項(xiàng)目正式啟動(dòng)，這正是復(fù)興號(hào)的前身。經(jīng)過兩年多的研發(fā)，在2015年正式完成并投入試運(yùn)行，并在2017年正式更名為復(fù)興號(hào)，而在同年，創(chuàng)造了時(shí)速350公里的世界紀(jì)錄。復(fù)興號(hào)成為世界上運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高的高鐵列車。

“東方超環(huán)”中國(guó)的人造小太陽

“托卡馬克”裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

核能是一種低排放、高效率的清潔能源，一直被視為化石能源最有希望的替代者。但是人類目前對(duì)核能的開發(fā)，基本集中在核裂變所產(chǎn)生的核能方面。而核聚變，就人類長(zhǎng)期以來的科學(xué)技術(shù)水平，無法對(duì)聚變反應(yīng)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)其可控化（氫彈屬于不可控的核聚變）。所以可控核聚變一直是人類在能源開發(fā)方面的一個(gè)終極夢(mèng)想。擁有了可控核聚變，人類就擁有了掌握在自己手中的“太陽”。

而這個(gè)夢(mèng)想，如今正在逐漸被中國(guó)的科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)。

可控核聚變的世界難題

如何對(duì)核聚變進(jìn)行約束，使其變得可控化？目前理論上有兩種可行方式，分別是慣性約束和磁約束。

慣性約束是通過引力或強(qiáng)光的壓力約束聚變?nèi)剂希纬梢?guī)?？煽氐母邷氐入x子體。而另一個(gè)方向就是通過超導(dǎo)磁體所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)聚變反應(yīng)進(jìn)行約束。20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了稱為“托卡馬克”（Tokamak）磁約束聚變裝置，之后大半個(gè)世紀(jì)，不斷有科學(xué)家們以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，并發(fā)起了名為“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor，簡(jiǎn)稱ITER）的跨國(guó)合作研究項(xiàng)目。

屢獲突破的“東方超環(huán)”

1998年7月，由中科院主持，中科院等離子體物理所承擔(dān)“HT-7U超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”的建造項(xiàng)目正式立項(xiàng)。2003年HT-7U正式改名為EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak），這正是之后在業(yè)界大名鼎鼎的“東方超環(huán)”。

2006年，就在中國(guó)加入ITER的同年，EAST正式建成，并于第二年通過驗(yàn)收。也正是這兩年里，EAST兩次放電調(diào)試成功，獲得了穩(wěn)定可控的各種磁位形高溫等離字體。之后，EAST也屢獲突破：

2012年，實(shí)現(xiàn)超過400秒的高溫偏濾器等離子體;穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電。這分別是當(dāng)時(shí)世界最長(zhǎng)時(shí)間高溫偏濾器等離子體放電，以及最長(zhǎng)時(shí)間高約束等離子體放電紀(jì)錄。

2016年，實(shí)現(xiàn)電子溫度超過5000萬度;持續(xù)時(shí)間達(dá)102秒的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電。這也是當(dāng)時(shí)國(guó)際托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置上電子溫度達(dá)到5000萬度持續(xù)等離子體放電時(shí)間紀(jì)錄。

2017年，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，再次突破了相關(guān)世界紀(jì)錄。好溫2018年，EAST實(shí)現(xiàn)1億度高溫等離子體運(yùn)行，這是世界上首次實(shí)現(xiàn)等離子體中心電子溫度達(dá)到1億度的里程碑。

“東方超環(huán)”的稱號(hào)名副其實(shí)，它代表我國(guó)在可控核聚變技術(shù)上一直走在世界前列，而可控核聚變能源，離我們將越來越近。

“東方超環(huán)”EAST

EAST內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字上的中國(guó)奇跡

新中國(guó)成立70年，中國(guó)在科研領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且以開放和包容的姿態(tài)，更加深入地與世界接軌，融入并引領(lǐng)著全球的科技發(fā)展進(jìn)步。而這一切改變，其實(shí)都通過我們身邊的點(diǎn)點(diǎn)滴滴有所體現(xiàn)，而那一個(gè)個(gè)打破世界紀(jì)錄的超級(jí)工程，正是科技改變生活的最鮮明注腳。