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基礎研究澎湃中國力量

  • 發佈時間:2016-03-05 03:31:54  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  2月25日,科技部在京發佈了2015年度中國基礎研究十大進展,包括:實現單光子多自由度量子隱形傳態;理論預言並實驗驗證外爾半金屬的存在;揭示埃博拉病毒演化及遺傳多樣性特徵;實現對反物質間相互作用力的測量;探測到宇宙早期最亮中心黑洞品質最大的類星體等。

  這些進展充分展示了中國科學家在國際科技舞臺的風采,個個都是貨真價實的原始創新。要麼取得“重大突破”,要麼具備“里程碑”意義,被國際同行發自內心點讚。

  “潘,你的夢想是什麼?”“我的夢想是在中國建一個和這裡一樣的世界一流的量子物理實驗室。”

  在2015年度國家科學技術獎勵大會現場,中科院院士潘建偉代表所有得獎者發言。他領銜的項目獲國家自然科學獎一等獎。

  發言時,潘建偉再度提到了這段關於夢想的對話——那是上世紀90年代,帶著對量子世界一探究竟的好奇,潘建偉奔赴奧地利求學,第一次見到了自己的導師。

  後來的故事如同一個夢想成真的範本。

  31歲,潘建偉回到中國科學技術大學建立量子物理和量子資訊實驗室。在量子資訊領域,有了他領銜的“夢之隊”。2003年至今,團隊6次入選歐洲物理學會評選的“年度物理學重大進展”,5次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”;去年年底,歐洲物理學會公佈了2015年度國際物理學領域的十項重大突破,潘建偉、陸朝陽等完成的“多自由度量子隱形傳態”位居榜首。

  而更多類似的故事,已在“十二五”期間上演。科技部基礎司相關負責人表示,“十二五”期間,我國基礎研究持續快速發展,整體上呈現從量變到質變的加速發展態勢。

  領跑量子通信

  量子力學,聽起來就是那麼不合常理。粒子可以處在“既在此地又在彼處”的疊加態;而處於糾纏態的粒子,還有著逆天的“心靈感應”:縱使這對粒子遠隔重洋,對其中一個進行測量,另一個的狀態也會暫態發生改變。

  多光子糾纏和干涉度量學是潘建偉帶領的“夢之隊”的核心研究內容之一。讓多個光子産生糾纏,是利用光子做量子隱形傳態和量子計算的必要前提。2012年,“夢之隊”打破了自己的紀錄,在世界上第一個實現了八光子糾纏。

  利用量子糾纏的特性,可以將粒子的性質進行遠距離傳輸。2015年,潘建偉團隊在世界上首次實現了單光子多自由度的量子隱形傳態,“從基礎研究的觀點來説,我們首次證明一個粒子所有的性質在原理上都是可以被傳輸的。”

  在基礎研究的基石之上,量子通信的大廈正拔地而起。量子通信是迄今唯一被嚴格證明的無條件安全通信方式,將對國家核心競爭力的提升産生深刻影響。

  僅僅是今年,量子通信領域至少會發生兩件大事:目前在建的“京滬幹線”將交付,它將成為全球首個距離最遠的廣域光纖量子通信保密骨幹線路;潘建偉擔任首席科學家的量子科學實驗衛星也將發射升空。“京滬幹線”和“量子衛星”相結合,可以初步構建中國的廣域量子通信體系,為其率先建成全球化的量子通信衛星網路奠定基礎。

   捕捉“幽靈粒子”

  就在潘建偉團隊收到《物理世界》關於入圍“2015年度國際物理學十大突破”電子郵件的十幾天前,中科院高能物理所所長王貽芳走進美國宇航局艾姆斯研究中心,出席2016科學突破獎頒獎典禮——這是中國科學家和以中國科學家為主的實驗團隊第一次獲此殊榮。

  它是對大亞灣中微子實驗團隊發現新的中微子振蕩模式的嘉獎。王貽芳接受採訪時説:“這是對我們過去十幾年努力的認可與獎勵,希望能鼓勵後來者更加努力。”

  大亞灣中微子實驗是一個規模龐大的國際合作項目,啟動於2006年。其中,主力隊員來自於中科院高能物理研究所,王貽芳是項目的中方負責人。

  中微子是一種不帶電、品質極其微小的基本粒子,在目前已知的構成物質世界的12種基本粒子中,中微子佔了四分之一。它還有特殊的“變身技巧”:一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子。目前,已經證明確實存在3種中微子,這3種中微子之間相互振蕩,應該有3種模式;但是,在已經發現兩種模式之後,第三種振蕩則一直未被發現,一度被懷疑“或許並不存在”。

  在深圳市區以東大亞灣排牙山下的岩洞裏,項目組捕捉到了中微子的第三種振蕩模式。2012年8月,王貽芳在北京宣佈,利用大亞灣核反應爐群産生的大量中微子,尋找並精確測量到一種新的中微子振蕩。

  該成果被世界權威學術雜誌——美國《科學》評選為2012年度十大科學突破之一,並獲得了2014年美國物理學會粒子物理最高獎——潘諾夫斯基獎,2015年日經亞洲成就獎和2016年基礎物理學突破獎。

  《科學》雜誌線上版“科學此刻”欄目評價説:“此次成果完成了一幅中微子的概念圖,這為‘中微子與反中微子行為間不對稱’的實驗鋪平了道路,將可以解釋為何現在的宇宙中有如此多物質,卻只有一丁點兒反物質這一問題。”

  目前,中國主持的第二個大型中微子試驗站江門中微子試驗站已經正式啟動建設。它的規模比大亞灣大100倍,預計2020年完成建設開始運作。實驗建造的中微子探測器將是世界上能量精度最高、規模最大的液體閃爍體探測器。這一實驗的啟動標誌著我國中微子實驗研究從起步到跨越的轉變。

  大有作為的時代

  當然,量子通信、中微子振蕩,只是“十二五”以來,我國基礎研究領域成就交響曲的其中兩段樂章。

  500米口徑球面射電望遠鏡在黔南仰望星空,它將為天文基礎研究等眾多領域提供發現和突破的條件;暗物質探測衛星“悟空”升空,它有很大潛力來加深人類對於高能宇宙射線的起源和傳播機制的理解……在科學工程之外,具有世界影響的科學成果也不斷涌現,我國科學家擁有了多個“首次”:首先發現了轉變溫度40K以上的鐵基超導體,併發現一系列的50K以上的鐵基超導體;首次實驗觀測到量子反常霍爾效應,這將推動未來無能耗電子學的發展,有望加速推進資訊技術革命的進程;首次成功發現具有“手性”的無品質電子——外爾費米子,為低能耗電子器件和未來量子計算的發展提供了新途徑;首次解析了裂殖酵母剪接體、與阿爾茲海默症發病相關的人源膜整合蛋白酶複合物、已知最大鈣離子通道受體、人源葡萄糖轉運蛋白等三維結構,為生命科學相關研究提供了一系列重要的結構線索……在人類探索新知的路上,中國科學家正成為重要的同行夥伴,為人類知識創新做出更大貢獻。

  全國政協副主席、科技部部長萬鋼在“十二五”科技改革和創新發展新聞發佈會上指出:“近些年來,我們在盡可能地提高基礎研究的投入。”他特別強調,對於基礎研究的保障,將從4個方面進行:完善支援基礎研究的體制機制;強化前瞻佈局;加強基礎研究基地建設和基礎研究人才的培養;同時,讓企業重視基礎研究,促進企業創新能力的提升。

  “聚焦重大需求,重點研發計劃對面向未來的量子通信、幹細胞、環境保護等方面基礎研究進行重點支援;對那些面向未來的探索,包括物質科學、中微子探索、引力波探索等,按照我國國力給予相應部署。”萬鋼多次提到“面向未來”,這邁向未來的道路,就要靠基礎研究打下路基。

  回到今年的國家科技獎勵大會吧。

  在那次發言中,潘建偉還拋出了這樣一句話:“這是一個可以大有作為的偉大時代。”

  當時台下,掌聲經久未息。

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