厚积薄发久为功——2021年世界科技发展回顾·基础研究

2022-01-05 10:55:56     来源:科技日报

俄罗斯

启用贝加尔湖中微子望远镜

首次室温下获得磁性超导材料

科技日报驻俄罗斯记者 董映璧


俄罗斯研究人员在建设贝加尔湖深水中微子望远镜。
图片来源:俄罗斯卫星通讯社

2021年,俄罗斯在基础研究领域的亮点是,在贝加尔湖中启用了北半球最大的深水中微子望远镜“Baikal-GVD”,用于记录来自天体的超高能中微子流,研究地球物理学、水文学和淡水生物学现象,探索宇宙的产生和进化过程。“Baikal-GVD”体积约半立方米,通过在贝加尔湖冰中凿出的一个长方形孔洞,这个高科技实验装置被安置在距离湖边约4000米、水深750—1300米的位置。 

俄罗斯萨马拉大学首次描述了在宇宙化学进化中起最重要作用的有机分子在太空中的出现过程,所获数据扩展了关于生命出现的概念,并解释了合成有机物的“星际工厂”的运行机制。这一研究发现,最简单的多环芳(香)烃、茚可以在符合太空条件的温度下形成。含有多环芳(香)烃的小硬碳氢化合物粒子通常被称为星际种子,它实际上作为合成有机物(如氨基酸和糖)的分子太空工厂而运行。 

莫斯科大学量子技术中心开通了一条量子安全通信线路,用于校内20个用户组网通信,用户之间最远距离为50公里。俄罗斯电信运营商TransTeleCom完成了莫斯科和圣彼得堡间的量子通信干线的建设工作。

美国

揭示缪子行为异常

发现宏观量子纠缠直接证据

科技日报记者 刘霞


费米国家加速器实验室准备采集数据。
图片来源:费米实验室

在基本粒子研究方面,费米国家实验室和中国科学家联合进行缪子反常磁矩实验,以前所未有的测量精度,揭示缪子的行为与标准模型理论预测不相符,为新物理的存在提供了强有力证据。由美国科学家主导的国际向前搜索实验(FASER)小组,通过分析欧洲大型强子对撞机(LHC)提供的数据,首次在LHC上发现了中微子的“蛛丝马迹”。 

在量子技术领域,美国科学家今年可谓收获颇丰。美国国家标准技术研究所团队使用微波脉冲让两张小的铝片膜进入量子纠缠状态,发现了宏观物体量子纠缠的直接证据,有助量子网络、暗物质及引力波研究。哈佛大学和麻省理工学开发出可编程量子模拟器,能运行256个量子比特,有助科学家在材料科学、通信技术等多领域实现重大突破。IBM公司宣称,其已经研制出一台能运行127个量子比特的量子计算机“鹰”,这是迄今全球最大的超导量子计算机。

来自能源部SLAC国家加速器实验室等的科学家首次直接观察到了临近水分子之间的“量子拖拽”。 

另外,美国和新西兰科学家利用激光挤压并冷却锂气体等,使其密度和温度变化到足以减少光散射量的程度,由此证明了泡利阻塞效应,未来有望利用其开发能抑制光的材料,进一步提高量子计算机的性能和效率。

哈佛大学物理学家团队通过实验模拟并分析了一种新物质状态——量子自旋液体,其在高温超导和量子计算机等量子技术领域有着广阔的应用前景。

法国

提出新的量子计算机构架

揭秘宇宙诞生“第一种物质”

科技日报驻法国记者 李宏策


《自然》封面的反氢原子冷却实验。
图片来源:欧核中心

法国于2021年1月宣布启动量子技术国家战略,计划5年内在量子领域投资18亿欧元,争取让法国有机会成为“第一个获得通用量子计算机完整原型的国家”。该战略认为,完全掌握量子技术价值链是法国持久独立研究的关键,对法国专有技术和工业应用方面的主权至关重要。为此,该战略旨在为法国量子领域全价值链提供支持,涉及所有量子相关技术。法国正在建立以巴黎、萨克雷、格勒诺布尔为中心的量子生态系统。 

量子研究方面,法国团队提出了新的量子计算机构架,在传统的二维阵列量子比特上连接一个量子记忆体,形成三维架构,从而实现大幅降低量子计算机所需的量子比特数量。新架构下仅需13436个量子比特就能破解当前主流的2048位RSA加密,比此前研究中所需两千万个量子比特数减少了3个数量级,这为量子计算机架构设计提供了新方向。 

欧洲核子研究中心(CERN)频频有重要发现。该中心的超环面仪器实验(ATLAS)和紧凑缪子线圈实验团队于2月发现了希格斯玻色子衰变为两个轻子(带相反电荷的电子或μ子对)和一个光子——“达利兹衰变”的首个证据,有助科学家发现新物理学。 

3月,该中心的ALPHA合作组首次用激光冷却技术成功冷却了反氢原子,为更精确测量反氢内部结构及其在引力作用下的行为奠定了基础。将这些测量结果与氢原子比较,可以揭示物质原子和反物质原子之间的差异,为反物质研究带来新视角。该中心的大型强子对撞机(LHC)发现了4种全新的粒子,它们是4种不同的四夸克态。迄今为止,LHC共发现59种新强子。此外, 

6月,该中心利用LHC重现了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内存在的唯一物质夸克—胶子等离子体(QGP)。研究发现,夸克—胶子等离子体具有光滑柔软的质地,这与此前的预测以及所知道的任何其他物质都不同。

7月,该中心大型强子对撞机底夸克(LHCb)实验团队发现了一种新物质粒子Tcc+,这个4夸克粒子是一种奇异强子,是迄今最“长寿”的奇异物质粒子,也是首个包含2个重夸克和2个轻反夸克的粒子,由2个粲夸克和1个反上夸克、1个反下夸克组成。这一发现有助对标准模型理论开展测试并揭示新现象。 

12月,在LHC的新探测器进行试运行时探测到中微子,这是首次在粒子加速器内部发现中微子。 

德国

推出欧洲首台量子计算机

精确控制原子核量子跃迁

科技日报驻德国记者 李山


德国弗劳恩霍夫协会与IBM公司合作推出欧洲第一台商用量子计算机。
图片来源:IBM网站

德国弗劳恩霍夫协会与IBM公司合作研发的欧洲第一台商用量子计算机正式面市。这台有27个量子位的计算机的基本粒子部件由美国IBM生产,冷却系统来自芬兰,控制系统在德国研发。与此同时,德国在下萨克森州的“量子谷”组建一个国际团队,基于一种可使离子单独存在并被存储的基础技术开发新的量子计算机。此外,德国政府部门首次通过量子通信技术在柏林和波恩之间举行了视频会议。

以国家大科学工程为核心的亥姆霍兹联合会下属各中心继续开拓前进。例如,于利希研究中心通过使用4个特殊的尖端扫描隧道显微镜,首次实现直接测量超薄拓扑绝缘体中存在的非凡电性能;开发了一种微型红外探测器,可使用压控开关控制两个不同的红外波段的光谱响应。柏林亥姆霍兹中心(HZB)研发可精确测量“台式粒子加速器”的电子束横截面的方法,推动新的加速器技术在医学和研究中的应用。卡尔斯鲁厄理工学院研发新型法布里—珀罗谐振器,可追踪纳米颗粒在空间中的运动,可用于蛋白质、DNA折叠或病毒的表征;开发了一种新型气体分子传感器,可精确实现分子特异性检测。 

以基础研究为主要任务的马克斯·普朗克学会下属各个研究所也硕果累累。例如,量子光学研究所首次在不同实验室分隔的量子模块间实现量子逻辑运算,为分布式量子计算开辟了新的发展路径。智能系统研究所录制了世界首个时空晶体视频。生物物理化学研究所开发出新的光学显微镜方法,能够分辨间隔只有几纳米的单个分子。煤炭研究所研制出在室温和普通大气压下合成氨气的新方法。核物理研究所首次利用X射线精确控制了原子核的量子跃迁。光学研究所设计了一种实验,在检测光子的同时能够避免光子淬灭。分子细胞生物学和遗传学研究所发现,岩石孔隙中的气泡可能是早期地球生命的摇篮。 

德国科学家在一枚探测火箭上首次成功实现了太空原子干涉测量。鉴于原子干涉仪可利用原子的波动特性开展极精确测量,如测量地球的引力场或探测引力波等,新研究有望更精确探测引力波。 

英国

首用纠缠光子编码信息成全息图

详细测量格陵兰岛冰川温度

科技日报记者 张佳欣 


英国格拉斯哥大学利用量子纠缠光子将信息编码为全息图。
图片来源:格拉斯哥大学

在量子领域,英国格拉斯哥大学的物理学家首次找到使用量子纠缠光子将信息编码为全息图的方法。这一新型量子全息术突破了传统全息方法的局限性,使将来有可能创建更高分辨率、更低噪声的图像,帮助研究人员更好地揭示细胞细节,进一步了解生物学在细胞水平上的功能。

此外,格拉斯哥大学领导的国际研究小组还发现,地上的水可能来自“天上”——太阳。太阳风由来自太阳的带电粒子(主要是氢离子)组成,在太阳系早期撞击地球的小行星所携带的尘埃颗粒表面产生了水。

布里斯托大学量子工程技术实验室的研究人员解释了一种通过充当自主代理,使用机器学习对哈密顿模型进行逆向工程的算法。这种新算法对量子系统基本物理原理提供了宝贵见解,有望带来量子计算和传感领域的重大进步,并有可能翻开科学研究的新篇章。 

英国剑桥大学领导的国际研究小组利用光纤传感技术,让激光脉冲通过光纤光缆传输,对格陵兰岛冰川的温度进行了迄今最详细测量,获得了从冰川表面直到冰面下1000多米底部非常详细的温度测量结果。这项研究将有助科学家对世界第二大冰川的未来变动情况进行更精准建模,从而更好地应对气候变暖。 

日本

首次精确测量超重元素质量

明确纳米级磁性斯格明子晶体机制

科技日报驻日本记者 陈超


测量Db同位素质量所用的装置。
图片来源:日本科学技术振兴机构

3月,日本Mercari公司、东京大学和大阪大学研究人员计划在5年内建立起采用新方式的短距离通信网,以实现一个“绝对安全”的量子互联网。该“量子互联网特别工作组”在2月份公开的业务计划书中,公布了建立量子互联网测试环境的方案。

日本高能加速器研究机构(KEK)、理化学研究所及九州大学等组成的国际联合研究团队,利用理研的重离子加速器设施“RI Beam Factory”(RIBF)中的充气式反跳核分离器(GARIS-Ⅱ)和多反射型飞行时间测量质谱仪(MRTOF),成功地精确测量出了原子序数为105的超重元素Db同位素257Db的质量。 

8月,东京大学明确纳米级磁性斯格明子晶体机制,为开发新物质提供了设计方向。东京大学的研究团队构建了一个包含源自手性晶体结构的反对称交换作用和源自巡游电子系统的自旋—电荷相互作用的微观模型,通过数值模拟分析,在理论上确认了纳米级磁性斯格明子晶相可以稳定存在。这项研究中的设计思路,有助于在利用磁性斯格明子高度集成所产生的巨大突发磁场的自旋电子器件领域取得进展。 

韩国

出台法律强化对量子技术支持

超导核聚变装置运行创纪录

科技日报驻韩国记者 邰举


测量Db同位素质量所用的装置。
图片来源:日本科学技术振兴机构

韩国正式出台《促进信息通信振兴及融合等相关法律》,将政府对量子技术的支持法律化。根据立法,韩国将在政府财政支持的基础上,建立量子技术专职管理机构,在政策研究、研发支持、基础设施建设、人力培养、技术标准化等方面发挥主导作用,同时,还计划加大力度培育量子研发和产业生态,向中小企业提供财政及行政支持。

韩国超导核聚变装置KSTAR成功在1亿℃温度下约束等离子体30秒,创下了新的运行纪录。 

韩国一个共同研究小组开发的一种量子比特技术逻辑错误率达到10万分之一。

韩国研究者参与的一项国际共同研究第一次发现了一种表现出光子雪崩效应的纳米材料,具有全新应用前景。 

韩国实验物理学家证实了理论物理学界预言的一种液态金属的电子结构。 

以色列

国家计划作为支撑

全面发力量子领域

科技日报驻以色列记者 胡定坤


荧光晶体放在“纳米针头”上定向发光,可用于量子加密。
图片来源:afhu组织网(afhu.org)相关报道

今年3月,以色列国防部和创新局称将投资6000万美元建立以色列首个量子计算机,计算能力约为30—40量子比特。该项目是以色列2019年推出的“国家量子能力计划”的一部分,该计划将在量子领域投资3.8亿美元。除发力量子计算领域,该计划还向5家公司和8个学术团体投资4000万美元,推动量子雷达等新型量子传感器的研究,其中本古里安大学已研制出一个紧凑、坚固的冷原子钟和一个灵敏的磁原子传感器。 

以色列希伯来大学研究团队开发出一种微小的荧光晶体,称为“量子点”,被安装在金色的“纳米针头”上,当荧光晶体被激光照射时会发出单光子流,并在经过一种特殊光栅后沿单方向射出。该团队目前正在改进相关设备,以便提供更可靠、更高效的单光子流,使其能广泛用于量子加密技术。 

乌克兰

发明基于超材料的射频检测器

新不透明闪烁介质能检测粒子

科技日报驻乌克兰记者 张浩

2021年3月,乌克兰科学院放射物理与电子研究所发明了一种基于超材料的射频非接触式检测器,可用于检测乙醇水溶液中是否含有甲醇。研究人员使用所谓的超材料作为探测器,将装有被研究液体的容器置于金属间膜附近并激发其共振场,使用电动力学公式描述相应的相互作用。这意味着,如果特性未知的天然物质与特性已知的超材料发生电磁接触,就能够通过标准微波技术和设备记录超材料的特性来识别特性未知的天然物质,这一方法目前尽管还处于实验室阶段,但被认为应用前景广阔。 

在粒子研究领域,过去几年里乌克兰国家科学院闪烁材料研究所一直在开发一种新的不透明闪烁介质,用于充当高能物理实验中的检测粒子。欧洲核子研究中心(CERN)认为这项研究很有前景,在2021年决定邀请乌克兰科研团队参加大型强子对撞机底夸克实验(LHCb),该项目是乌克兰基础科学领域近些年受到国际瞩目的重大实验项目之一。 


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