從國運的“芯片對決”到每個人日夜不離手的手機和平板電腦，再到遙遠太空的空間站，再到餐廳送餐的機器人，科技成為各國每個人都密切關(guān)注的焦點。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程的關(guān)鍵變量？科技的下一個出路在哪里？

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，最終產(chǎn)生基本性、革命性和時代性。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)合和進化，最終創(chuàng)造了巨大的生產(chǎn)力，普遍促進了經(jīng)濟和社會的發(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。

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)會產(chǎn)生大量的核廢料，如果不小心處理這些核廢料，會造成嚴重的放射性污染。特別是隨著核電的發(fā)展，核廢料會越積越多，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)嘗試利用核聚變反應(yīng)來獲得核能，以克服核廢料難以處理這一棘手問題。核聚變就是幾個輕核(如氫)匯聚成一個重核，在這個過程中會釋放出遠遠大于裂變反應(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，失去電子的氫核會在太陽的高溫下結(jié)合成雙質(zhì)子。但是這個核不穩(wěn)定，其中一個質(zhì)子會立即釋放出一個正電子，變成中子，使雙質(zhì)子核成為氫的同位素。在高溫動能的驅(qū)動下，兩個核又會產(chǎn)生一個氦核，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。

可控核聚變一旦實現(xiàn)，人類將完全擺脫能源的束縛。

人類將實現(xiàn)能源自由：海洋中有大量的聚變?nèi)剂?。?jù)計算，從一桶海水中提取的能量相當于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)定的等離子體也會在很短的時間內(nèi)冷卻，不會發(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，不會產(chǎn)生二氧化碳引起的溫室效應(yīng)，也不會產(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步，但他們?nèi)匀粵]有達到足夠的商業(yè)發(fā)電水平，甚至沒有實現(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)部會產(chǎn)生復(fù)雜的磁場和多變性，使科學(xué)家無法準確預(yù)測其狀態(tài)，因此很難在人類設(shè)計的籠子里約束這樣一只“洪水猛獸”，達到聚變條件。

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

人類歷史上第一次激光可控核聚變點火是科學(xué)研究領(lǐng)域的一大進展，證明了可控核聚變在實驗室的可行性，為聚變能源的實際應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)——從單純追求點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)動計劃已經(jīng)在國內(nèi)大型激光設(shè)備上進行了理論驗證，大量的聚變研究已經(jīng)完成了基礎(chǔ)物理分解試驗，研究人員對慣性約束聚變的認知達到了世界領(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新的聚變打火方案，具有更好的強度和更高的增益。就目前而言，要建成商業(yè)核聚變電站，實現(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大的激光聚變打火方案，探索聚變能源在工程中的實際應(yīng)用，還要學(xué)會研究和理解復(fù)雜聚變系統(tǒng)的物理真實性，共同努力實現(xiàn)激光可控核聚變領(lǐng)域的“彎道超越”，為實現(xiàn)人類的“能源自由”做出中國貢獻。

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·卡爾達舍夫在1964年指出，文明可以根據(jù)其可用能量的總量進行分類。根據(jù)他的定義，0級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·薩根的計算，目前人類的卡爾達舍夫指數(shù)約為0.75。一級文明，“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”。

可控核聚變的實現(xiàn)有望為我們獲得一級卡爾達舍夫指數(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，如地質(zhì)變化、大氣變化、生物圈變化、海洋活動等。文明水平的提高也會給人類開發(fā)和利用外太空的物質(zhì)資源的機會。

美國科學(xué)家哈勃在20世紀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，主流觀點認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)不會發(fā)光，也不會發(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世紀物理學(xué)的兩個新“烏云”，是目前研究的熱點。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:一種是對撞機的檢測，比如歐洲核子中心的大型強子對撞機；二是地下直接檢測，比如中國正在四川錦屏山地下實驗室進行的相關(guān)實驗；第三，間接檢測主要在外部空間進行。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鏡無法企及的。鏡面規(guī)格的提高也大大提高了望遠鏡的分辨率，促使韋布望眼鏡第一批圖像細節(jié)滿滿。對同一觀察目標，韋布望眼鏡所展示的細節(jié)非常豐富，遠遠超過了所有的前輩。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。 65426b，并從四個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)-這個項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光年的行星運動。空氣中有水蒸氣、鈉、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。通信模式從兩個罐頭盒和一根繩子發(fā)展到雞毛信、電報、撥號盤、按鍵電話、手機、短信、微信。當然，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世紀初的量子力學(xué)概率描述物理變化，看起來確實有些“玄”：微尺度上的顆粒“可能”還在這里，“可能”向兩個方向移動；顆粒也可以互相糾纏——通過某種方式即時遠程感知和影響對方。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驗支持，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)作為一項新的旗艦研究項目，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)，實現(xiàn)“絕對安全”。

主要有兩種方式進行量子通信。一種是利用量子的不可復(fù)制性生成量子密碼，這是一種二進制的形式，可以加密經(jīng)典的二進制數(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。兩個糾纏的顆粒A和B，不管它們分開多遠，我們都會把其中一個顆粒分開。（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)的兩個顆粒之前，它們的狀態(tài)是不確定的。如果觀察其中一個顆粒，在確認其狀態(tài)的同時(例如 旋轉(zhuǎn))，另一個粒子的狀態(tài)會在瞬間得到確定(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)就會自動改變，竊聽行為就會被“舉報”；此外，量子的不可克隆性決定了竊聽者無法準確復(fù)制量子信息。所以，用量子做成“鑰匙”來傳遞信息，竊聽必然會被發(fā)現(xiàn)，而且加密內(nèi)容不可避免。 破解。量子通信是當前各國關(guān)注的焦點。諾貝爾物理學(xué)獎于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)實驗衛(wèi)星“墨子號”。該衛(wèi)星可以同時建造兩個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”的成功，激發(fā)了世界上很多國家對空間量子通信計劃的熱情。現(xiàn)在，無論是在“墨子號”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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