從國運(yùn)的“芯片對決”到每個(gè)人日夜不離手的手機(jī)和平板電腦，再到遙遠(yuǎn)太空的空間站，再到餐廳送餐的機(jī)器人，科技成為各國每個(gè)人都密切關(guān)注的焦點(diǎn)。我們不禁要問，科技從何而來？如何一步步成為決定人類歷史進(jìn)程的關(guān)鍵變量？科技的下一個(gè)出路在哪里？

人類歷史上有很多技術(shù)突破，但歸根結(jié)底還是遵循冪律分布——“關(guān)鍵少數(shù)”技術(shù)主導(dǎo)著社會(huì)變革。

極少數(shù)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生了超越其它技術(shù)的最大價(jià)值。這些關(guān)鍵核心技術(shù)的功效是不可替代的。它們首先具有原創(chuàng)性、領(lǐng)先性、關(guān)鍵性和突破性的特點(diǎn)，最終產(chǎn)生基本性、革命性和時(shí)代性。在關(guān)鍵核心技術(shù)的指導(dǎo)下，其他技術(shù)創(chuàng)新如潮流般涌現(xiàn)，并不斷結(jié)合和進(jìn)化，最終創(chuàng)造了巨大的生產(chǎn)力，普遍促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。

要打造中國科技創(chuàng)新版圖，把握能源、物質(zhì)、信息三個(gè)科技發(fā)展的“最基本命題”尤為重要，這是把握原創(chuàng)、引領(lǐng)科技攻關(guān)的關(guān)鍵方向，占領(lǐng)科技創(chuàng)新的前沿和制高點(diǎn)。

一 能量突破：可控核聚變

人類癡迷于持續(xù)的綠色能源。目前，核電廠依靠核裂變反應(yīng)來獲取能量，但裂變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的核廢料，如果不小心處理這些核廢料，會(huì)造成嚴(yán)重的放射性污染。特別是隨著核電的發(fā)展，核廢料會(huì)越積越多，到目前為止，還沒有找到永久的方法來處理這些廢物。

科學(xué)家們已經(jīng)嘗試?yán)煤司圩兎磻?yīng)來獲得核能，以克服核廢料難以處理這一棘手問題。核聚變就是幾個(gè)輕核(如氫)匯聚成一個(gè)重核，在這個(gè)過程中會(huì)釋放出遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂變反應(yīng)能量的能量?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，氫占太陽的70%以上。如果太陽能真的是由核反應(yīng)提供的，那么這種核反應(yīng)很可能是氫核聚變。一九三八年，美國科學(xué)家貝特證實(shí)，失去電子的氫核會(huì)在太陽的高溫下結(jié)合成雙質(zhì)子。但是這個(gè)核不穩(wěn)定，其中一個(gè)質(zhì)子會(huì)立即釋放出一個(gè)正電子，變成中子，使雙質(zhì)子核成為氫的同位素。在高溫動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)下，兩個(gè)核又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氦核，釋放出巨大的能量。這一反應(yīng)不但能量更大，而且反應(yīng)的生成物是 穩(wěn)定性元素，無核廢料，因此不存在放射性污染。

可控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)，人類將完全擺脫能源的束縛。

人類將實(shí)現(xiàn)能源自由：海洋中有大量的聚變?nèi)剂?。?jù)計(jì)算，從一桶海水中提取的能量相當(dāng)于300桶汽油；雖然在自然界中不存在，但它可以通過地球中所含的鋰元素進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了許多替代品，如氫硼聚變 變化等，都有望成為可控核聚變?nèi)剂稀?/p>

人類將獲得能源安全:濃縮放射性材料(如鈾、鈾等。)不用于制造可控核聚變堆中的核武器。即使約束失敗，不穩(wěn)定的等離子體也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)冷卻，不會(huì)發(fā)生核災(zāi)難。

清潔能源的使用：可控核聚變的產(chǎn)物主要是中子和惰性元素氦，不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳引起的溫室效應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生對環(huán)境影響很大的放射性廢物。

在過去的幾十年里，盡管科學(xué)家在這方面取得了很大的進(jìn)步，但他們?nèi)匀粵]有達(dá)到足夠的商業(yè)發(fā)電水平，甚至沒有實(shí)現(xiàn)能量輸出大于輸入能量的能量增益。由于沒有一種器皿能承受超過1億攝氏度的高溫，而且在如此高的溫度下，它顯示出電子和原子核分離的混合狀態(tài)，即等離子體狀態(tài)。在等離子體態(tài)下 物質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的磁場和多變性，使科學(xué)家無法準(zhǔn)確預(yù)測其狀態(tài)，因此很難在人類設(shè)計(jì)的籠子里約束這樣一只“洪水猛獸”，達(dá)到聚變條件。

日前，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火裝置完成了人類歷史上第一次激光可控核聚變點(diǎn)火:實(shí)驗(yàn)輸入2.05兆焦耳激光能量，產(chǎn)生3.15兆焦耳聚變能量輸出(約為電動(dòng)汽車行駛10公里所需的能量)，實(shí)現(xiàn)了“凈能量增益”。從科學(xué)原理和工程技術(shù)上驗(yàn)證了核聚變能源的未來，這是人類能源史上的一大進(jìn)步。 可行性，打開了人類進(jìn)入綠色能源時(shí)代的大門。

人類歷史上第一次激光可控核聚變點(diǎn)火是科學(xué)研究領(lǐng)域的一大進(jìn)展，證明了可控核聚變在實(shí)驗(yàn)室的可行性，為聚變能源的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)——從單純追求點(diǎn)火到探索更高能量增益的聚變方案，最終從應(yīng)用的角度實(shí)現(xiàn)了聚變發(fā)電，獲得了幾乎取之不盡、用之不竭的終極能源。但是，我們國家的慣性約 束聚變研究起步較晚。近年來，中國的相關(guān)研究蓬勃發(fā)展，間接驅(qū)動(dòng)計(jì)劃已經(jīng)在國內(nèi)大型激光設(shè)備上進(jìn)行了理論驗(yàn)證，大量的聚變研究已經(jīng)完成了基礎(chǔ)物理分解試驗(yàn)，研究人員對慣性約束聚變的認(rèn)知達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

中國工程物理研究院賀賢土院士和中國科學(xué)院張杰院士都提出了一項(xiàng)新的聚變打火方案，具有更好的強(qiáng)度和更高的增益。就目前而言，要建成商業(yè)核聚變電站，實(shí)現(xiàn)真正意義上的聚變能源應(yīng)用還需要幾十年的努力。在當(dāng)今可控核聚變開啟新篇章的背景下，中國激光聚變研究人員不僅要提高更強(qiáng)大的激光聚變打火方案，探索聚變能源在工程中的實(shí)際應(yīng)用，還要學(xué)會(huì)研究和理解復(fù)雜聚變系統(tǒng)的物理真實(shí)性，共同努力實(shí)現(xiàn)激光可控核聚變領(lǐng)域的“彎道超越”，為實(shí)現(xiàn)人類的“能源自由”做出中國貢獻(xiàn)。

二 物質(zhì)突破：把目光轉(zhuǎn)向宇宙

蘇聯(lián)天體物理學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫在1964年指出，文明可以根據(jù)其可用能量的總量進(jìn)行分類。根據(jù)他的定義，0級(jí)文明只能利用它所在行星的有限能量。根據(jù)美國科學(xué)家和天體物理學(xué)家卡爾·薩根的計(jì)算，目前人類的卡爾達(dá)舍夫指數(shù)約為0.75。一級(jí)文明，“可以利用行星上的所有能量來源，包括行星收到的宿主行星的所有光能，完全可以控制行星”。

可控核聚變的實(shí)現(xiàn)有望為我們獲得一級(jí)卡爾達(dá)舍夫指數(shù)的門票。從那以后，人類不僅可以控制行星上的所有能源資源，還可以人為控制行星本身的活動(dòng)，如地質(zhì)變化、大氣變化、生物圈變化、海洋活動(dòng)等。文明水平的提高也會(huì)給人類開發(fā)和利用外太空的物質(zhì)資源的機(jī)會(huì)。

美國科學(xué)家哈勃在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，表明宇宙正在膨脹。隨后，宇宙進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在加速膨脹。關(guān)于宇宙加速膨脹的主要原因，主流觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙中可以觀察到的物質(zhì) 此外，還有暗物質(zhì)，暗能量。只有4.9%的物質(zhì)在宇宙中可見，而暗物質(zhì)占26.8%，暗能占68.3%。暗物質(zhì)不會(huì)發(fā)光，也不會(huì)發(fā)光。 電磁波，從未被直接“看見”過。暗物質(zhì)和暗能量被稱為21世紀(jì)物理學(xué)的兩個(gè)新“烏云”，是目前研究的熱點(diǎn)。世界科技大國正在積極布局這一領(lǐng)域的研究和測試。

檢測暗物質(zhì)的方法主要有三種:一種是對撞機(jī)的檢測，比如歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)；二是地下直接檢測，比如中國正在四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；第三，間接檢測主要在外部空間進(jìn)行。通過收集和分析高能宇宙射線顆粒和伽馬射線光子，我們可以找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

2022年底，《科學(xué)》雜志評選的2022年十大科學(xué)突破公布，美國航空航天局詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST，縮寫為韋布望眼鏡)獲得冠軍。韋布望眼鏡作為人類歷史上最大的空間望眼鏡，不僅擺脫了地球大氣的困擾，還配備了一套完整的紅外波段觀測設(shè)備，從而窺探宇宙遙遠(yuǎn)的過去，觀測130億光年以外的星體(即130億年前的宇宙)，這是著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡無法企及的。鏡面規(guī)格的提高也大大提高了望遠(yuǎn)鏡的分辨率，促使韋布望眼鏡第一批圖像細(xì)節(jié)滿滿。對同一觀察目標(biāo)，韋布望眼鏡所展示的細(xì)節(jié)非常豐富，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所有的前輩。韋布望眼鏡除了揭示宇宙極早的歷史外，還可以搜索地外行星。 2022年9月，韋布望眼鏡發(fā)現(xiàn)了一顆具有7倍木星質(zhì)量的巨大系外行星HIP，以分析地外行星的大氣組成，為在宇宙中尋找人類的合作伙伴做出突出貢獻(xiàn)。 65426b，并從四個(gè)不同的波段繪制圖像，揭示了許多與其所在恒星系有關(guān)的秘密。韋布望眼鏡在2022年11月首次發(fā)現(xiàn)二氧化碳存在于系外行星WASP-39b大氣中。 根據(jù)-這個(gè)項(xiàng)目對于其他望眼鏡來說，難如登天的任務(wù)在韋布望眼鏡這里只能算是小菜一碟。數(shù)據(jù)顯示，這顆土星質(zhì)量的行星圍繞著距離地球700光年的行星運(yùn)動(dòng)?？諝庵杏兴魵狻⑩c、鉀、二氧化碳甚至一些云。

在外太空中，不僅有人類已知的物質(zhì)，而且有清晰的利用價(jià)值，很可能有我們還沒有知道的物質(zhì)，就像石油對美索不達(dá)米亞的古代人類一樣。舉例來說，在火星和木星之間的小行星帶上，有一個(gè)16Psyche的行星，含有大量的礦物質(zhì)?，F(xiàn)在的研究表明，在經(jīng)歷了無數(shù)次隕石轟炸之后，16Psyche是古代一顆行星的星核， 它表面的巖層被分離出來，露出里面幾乎是純金屬的一部分。它的主要成分是人類工業(yè)發(fā)展所必需的鐵和鎳，同時(shí)也聚集了超過50億噸的貴金屬，如黃金和鉑金。

三 資料突破：量子通信

人類的通信歷史在不斷演變，通信方式和媒體也在發(fā)生變化。通信模式從兩個(gè)罐頭盒和一根繩子發(fā)展到雞毛信、電報(bào)、撥號(hào)盤、按鍵電話、手機(jī)、短信、微信。當(dāng)然，今天，全新的“量子通信”已經(jīng)迎來。通信媒體從固體、氣體、電纜、光纖到今天的“量子”。

組成物質(zhì)的基本粒子，如電子、光子等，統(tǒng)稱為量子，它們是構(gòu)成物質(zhì)的最基本模塊，不能再分割。起源于20世紀(jì)初的量子力學(xué)概率描述物理變化，看起來確實(shí)有些“玄”：微尺度上的顆?！翱赡堋边€在這里，“可能”向兩個(gè)方向移動(dòng)；顆粒也可以互相糾纏——通過某種方式即時(shí)遠(yuǎn)程感知和影響對方。量子力學(xué)理論經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、海森伯、薛定諤等科學(xué)巨頭的逐步完善，初步形成并持續(xù)發(fā)展。這種看似“不合理”的理論得到了越來越多的實(shí)驗(yàn)支持，催生了許多重大發(fā)明——核彈、激光、晶體管、磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等。在2016年，歐盟宣布將量子技術(shù)作為一項(xiàng)新的旗艦研究項(xiàng)目，將上述成果稱為“第一次量子革命”。

量子信息技術(shù)是量子力學(xué)的最新發(fā)展，代表著“第二次量子革命”的興起，其中量子通信具有代表性。量子通信主要解決通信安全問題。傳統(tǒng)的信息加密算法依賴于數(shù)學(xué)算法的復(fù)雜性，但是隨著計(jì)算能力的迅速提高，再復(fù)雜的加密技術(shù)也有可能被破解。量子通信以“量子密鑰”為基礎(chǔ)，從客觀物理規(guī)律這一基礎(chǔ)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)“絕對安全”。

主要有兩種方式進(jìn)行量子通信。一種是利用量子的不可復(fù)制性生成量子密碼，這是一種二進(jìn)制的形式，可以加密經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這種通信方式被稱為“量子密鑰分發(fā)”。二是使用量子糾纏。 量子比特是最基本的單位來傳遞量子信息。兩個(gè)糾纏的顆粒A和B，不管它們分開多遠(yuǎn)，我們都會(huì)把其中一個(gè)顆粒分開。（A）和 攜帶想要傳輸?shù)牧孔颖忍仡w粒（C）讓我們一起測量一下。C的量子比特立即消失，但B立即攜帶了C之前攜帶的量子比特。我們稱這個(gè)過程為“量子隱形傳態(tài)”。根據(jù)量子力學(xué)的“不確定性原理”，在觀察糾纏狀態(tài)的兩個(gè)顆粒之前，它們的狀態(tài)是不確定的。如果觀察其中一個(gè)顆粒，在確認(rèn)其狀態(tài)的同時(shí)(例如 旋轉(zhuǎn))，另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)在瞬間得到確定(下旋)。量子力學(xué)的“不確定性原理”約束了竊聽行為本身。只要有人試圖測量量子，量子的狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)改變，竊聽行為就會(huì)被“舉報(bào)”；此外，量子的不可克隆性決定了竊聽者無法準(zhǔn)確復(fù)制量子信息。所以，用量子做成“鑰匙”來傳遞信息，竊聽必然會(huì)被發(fā)現(xiàn)，而且加密內(nèi)容不可避免。 破解。量子通信是當(dāng)前各國關(guān)注的焦點(diǎn)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)于2022年10月4日被授予三位在量子信息領(lǐng)域做出創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的科學(xué)家。2016年，中國發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。該衛(wèi)星可以同時(shí)建造兩個(gè)距離地面千公里的光學(xué)站。 立量子光鏈接，完成了世界上第一顆衛(wèi)星與地面之間的量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。“墨子號(hào)”的成功，激發(fā)了世界上很多國家對空間量子通信計(jì)劃的熱情。現(xiàn)在，無論是在“墨子號(hào)”還是后續(xù)的低軌小衛(wèi)星上，我們都保持著國際領(lǐng)先地位。未來，我們有望通過太空中低軌和高軌衛(wèi)星組網(wǎng)，構(gòu)建具有國際推動(dòng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國際信息安全生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天地一體化的廣域量子通信保密系統(tǒng)，與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)無縫連接。

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