2021年世界科技發展回顧：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域的亮點是，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”，用于記錄來自天體的超高能中微子流，研究地球物理學、水文學和淡水生物學現象，探索宇宙的產生和進化過程。“Baikal-GVD”體積約半立方米，通過在貝加爾湖冰中鑿出的一個長方形孔洞，這個高科技實驗裝置被安置在距離湖邊約4000米、水深750—1300米的位置。

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

  莫斯科大學量子技術中心開通了一條量子安全通信線路，用于校內20個用戶組網通信，用戶之間最遠距離為50公里。俄羅斯電信運營商TransTeleCom完成了莫斯科和圣彼得堡間的量子通信干線的建設工作。

  俄羅斯量子中心首次在室溫下獲得了磁性超導材料。相關實驗是在釔鐵石榴石單晶膜上進行的。該物質在某些溫度下具有自發磁化作用。借助該技術未來可創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

       在量子領域，英國格拉斯哥大學的物理學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突破了傳統全息方法的局限性，使將來有可能創建更高分辨率、更低噪聲的圖像，幫助研究人員更好地揭示細胞細節，進一步了解生物學在細胞水平上的功能。

  此外，格拉斯哥大學領導的國際研究小組還發現，地上的水可能來自“天上”——太陽。太陽風由來自太陽的帶電粒子（主要是氫離子）組成，在太陽系早期撞擊地球的小行星所攜帶的塵埃顆粒表面產生了水。

  布里斯托大學量子工程技術實驗室的研究人員解釋了一種通過充當自主代理，使用機器學習對哈密頓模型進行逆向工程的算法。這種新算法對量子系統基本物理原理提供了寶貴見解，有望帶來量子計算和傳感領域的重大進步，并有可能翻開科學研究的新篇章。

  英國劍橋大學領導的國際研究小組利用光纖傳感技術，讓激光脈沖通過光纖光纜傳輸，對格陵蘭島冰川的溫度進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家對世界第二大冰川的未來變動情況進行更精準建模，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，費米國家實驗室和中國科學家聯合進行繆子反常磁矩實驗，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。由美國科學家主導的國際向前搜索實驗（FASER）小組，通過分析歐洲大型強子對撞機（LHC）提供的數據，首次在LHC上發現了中微子的“蛛絲馬跡”。

  在量子技術領域，美國科學家今年可謂收獲頗豐。美國國家標準技術研究所團隊使用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進入量子糾纏狀態，發現了宏觀物體量子糾纏的直接證據，有助量子網絡、暗物質及引力波研究。哈佛大學和麻省理工學院開發出可編程量子模擬器，能運行256個量子比特，有助科學家在材料科學、通信技術等多領域實現重大突破。IBM公司宣稱，其已經研制出一臺能運行127個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。

  來自能源部SLAC國家加速器實驗室等的科學家首次直接觀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，未來有望利用其開發能抑制光的材料，進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支持

  超導核聚變裝置運行創紀錄

       韓國正式出臺《促進信息通信振興及融合等相關法律》，將政府對量子技術的支持法律化。根據立法，韓國將在政府財政支持的基礎上，建立量子技術專職管理機構，在政策研究、研發支持、基礎設施建設、人力培養、技術標準化等方面發揮主導作用，同時，還計劃加大力度培育量子研發和產業生態，向中小企業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，創下了新的運行紀錄。

  韓國一個共同研究小組開發的一種量子比特技術邏輯錯誤率達到10萬分之一。

  韓國研究者參與的一項國際共同研究第一次發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。

  韓國實驗物理學家證實了理論物理學界預言的一種液態金屬的電子結構。

  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”

  法國于2021年1月宣布啟動量子技術國家戰略，計劃5年內在量子領域投資18億歐元，爭取讓法國有機會成為“第一個獲得通用量子計算機完整原型的國家”。該戰略認為，完全掌握量子技術價值鏈是法國持久獨立研究的關鍵，對法國專有技術和工業應用方面的主權至關重要。為此，該戰略旨在為法國量子領域全價值鏈提供支持，涉及所有量子相關技術。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量子記憶體，形成三維架構，從而實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個量子比特數減少了3個數量級，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）頻頻有重要發現。該中心的超環面儀器實驗（ATLAS）和緊湊繆子線圈實驗團隊于2月發現了希格斯玻色子衰變為兩個輕子（帶相反電荷的電子或繆子對）和一個光子——“達利茲衰變”的首個證據，有助科學家發現新物理學。

  3月，該中心的ALPHA合作組首次用激光冷卻技術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，可以揭示物質原子和反物質原子之間的差異，為反物質研究帶來新視角。該中心的大型強子對撞機（LHC）發現了4種全新的粒子，它們是4種不同的四夸克態。迄今為止，LHC共發現59種新強子。

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

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

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

  烏克蘭Ukraine

  發明基于超材料的射頻檢測器

  新不透明閃爍介質能檢測粒子

       2021年3月，烏克蘭科學院放射物理與電子研究所發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其共振場，使用電動力學公式描述相應的相互作用。這意味著，如果特性未知的天然物質與特性已知的超材料發生電磁接觸，就能夠通過標準微波技術和設備記錄超材料的特性來識別特性未知的天然物質，這一方法目前盡管還處于實驗室階段，但被認為應用前景廣闊。

  以色列Israel

  國家計劃作為支撐

  全面發力量子領域

  2021年3月，以色列國防部和創新局稱將投資6000萬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，該計劃將在量子領域投資3.8億美元。除發力量子計算領域，該計劃還向5家公司和8個學術團體投資4000萬美元，推動量子雷達等新型量子傳感器的研究，其中本古里安大學已研制出一個緊湊、堅固的冷原子鐘和一個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

  德國弗勞恩霍夫協會與IBM公司合作研發的歐洲第一臺商用量子計算機正式面市。這臺有27個量子位的計算機的基本粒子部件由美國IBM生產，冷卻系統來自芬蘭，控制系統在德國研發。與此同時，德國在下薩克森州的“量子谷”組建一個國際團隊，基于一種可使離子單獨存在并被存儲的基礎技術開發新的量子計算機。此外，德國政府部門首次通過量子通信技術在柏林和波恩之間舉行了視頻會議。

  以國家大科學工程為核心的亥姆霍茲聯合會下屬各中心繼續開拓前進。例如，于利希研究中心通過使用4個特殊的尖端掃描隧道顯微鏡，首次實現直接測量超薄拓撲絕緣體中存在的非凡電性能；開發了一種微型紅外探測器，可使用壓控開關控制兩個不同的紅外波段的光譜響應。柏林亥姆霍茲中心（HZB）研發可精確測量“臺式粒子加速器”的電子束橫截面的方法，推動新的加速器技術在醫學和研究中的應用。卡爾斯魯厄理工學院研發新型法布里—珀羅諧振器，可追蹤納米顆粒在空間中的運動，可用于蛋白質、DNA折疊或病毒的表征；開發了一種新型氣體分子傳感器，可精確實現分子特異性檢測。

  以基礎研究為主要任務的馬克斯·普朗克學會下屬各個研究所也碩果累累。例如，量子光學研究所首次在不同實驗室分隔的量子模塊間實現量子邏輯運算，為分布式量子計算開辟了新的發展路徑。智能系統研究所錄制了世界首個時空晶體視頻。生物物理化學研究所開發出新的光學顯微鏡方法，能夠分辨間隔只有幾納米的單個分子。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射線精確控制了原子核的量子躍遷。光學研究所設計了一種實驗，在檢測光子的同時能夠避免光子淬滅。分子細胞生物學和遺傳學研究所發現，巖石孔隙中的氣泡可能是早期地球生命的搖籃。

  德國科學家在一枚探測火箭上首次成功實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特性開展極精確測量，如測量地球的引力場或探測引力波等，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、東京大學和大阪大學研究人員計劃在5年內建立起采用新方式的短距離通信網，以實現一個“絕對安全”的量子互聯網。該“量子互聯網特別工作組”在2月份公開的業務計劃書中，公布了建立量子互聯網測試環境的方案。

  日本高能加速器研究機構（KEK）、理化學研究所及九州大學等組成的國際聯合研究團隊，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）和多反射型飛行時間測量質譜儀（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的質量。

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