光量子計算機
“慧眼”升空
FAST
“悟空”探測暗物質(zhì)
2017年，我國一系列重大科研突破不僅創(chuàng)造了我國歷史上的多個第一，也突破世界上多個“首次”。從深海的可燃冰開采、航母下水，到深空的墨子量子通信、天眼探空、大飛機沖天，我國的重大科技項目取得了舉世矚目的成就。
正如在暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”成果發(fā)布會上，中國科學院院長白春禮所言：“也許在人類科學發(fā)展的歷史上，大家會記住今天，因為中國科學家已經(jīng)從自然科學前沿重大發(fā)現(xiàn)和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央。”
首臺光量子計算機誕生
5月3日，中科院在上海召開新聞發(fā)布會，會上宣布世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機在我國誕生。這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了基礎。
量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。曾有人打過一個比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。因為與電子計算機相比，光子計算機具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導是可以不需要導線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會產(chǎn)生絲毫的相互影響。所以其信息通過能力是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。
而這臺由中科大、中國科學院—阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中科院物理所等協(xié)同完成參與研發(fā)的光量子計算機，還是名副其實的“中國造”，這標志著我國的量子計算機研究領域已邁入世界一流水平行列。
首顆X射線空間天文衛(wèi)星“慧眼”升空
6月15日11時00分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征四號乙運載火箭，成功發(fā)射首顆X射線空間天文衛(wèi)星“慧眼”?！盎垩邸钡拿?，寓意我國在太空“獨具慧眼”，能穿過星際物質(zhì)的遮擋“看”宇宙中的X射線，也為紀念推動中國高能天體物理發(fā)展的已故科學家何澤慧。
作為空間科學的國之重器，“慧眼”填補了我國空間X射線探測衛(wèi)星領域的空白，實現(xiàn)我國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯(lián)合觀測的跨越。它重約2.5噸，載荷重量981公斤，其上同時安裝了高、中、低能三組X射線望遠鏡，實際上是一座小型空間天文臺。
“慧眼”是國際上同能區(qū)探測器中面積最大的，尤其是高能望遠鏡的探測面積超過了5000平方厘米。面積越大，可探測到的信號越多，越有可能發(fā)現(xiàn)其他望遠鏡看不到的現(xiàn)象。而且，“慧眼”的視場也很大，約兩天即可完成對銀道面的掃描，有利于監(jiān)測暫現(xiàn)源。根據(jù)這顆衛(wèi)星的科學目標，研制人員為它制定了巡天觀測、小天區(qū)觀測和定點觀測等多種工作模式。
總之，“慧眼”能夠穿過星際物質(zhì)遮擋“看”宇宙，硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星投入使用后，將為科學家提供大批高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，有望使我國取得大量原創(chuàng)性科學成果。
首條量子保密通信干線開通
9月29日下午，在歷經(jīng)42個月的建設和半年多的應用測試以及長時間穩(wěn)定性測試后，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。
“京滬干線”是連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡，通過“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星興隆地面站與“京滬干線”北京上地中繼接入點的連接，真正打通了天地一體化廣域量子通信的鏈路，并通過“墨子號”量子衛(wèi)星與奧地利地面站的衛(wèi)星量子通信，在世界上首次實現(xiàn)洲際量子通信。
量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現(xiàn)保密通信過程。與之前的通訊原理不同的是，信息的傳播需要載體，而量子通信是不需要載體的信息傳遞。從物理學角度，可以這樣來想象隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據(jù)這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出完美的復制品。
“京滬干線”的正式開通，標志著我國的量子通信技術已經(jīng)走在了世界前列，并持續(xù)保持著其優(yōu)勢地位，并為未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡邁出堅實的一步。
FAST找到新的脈沖星
“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡——FAST，自試運行以來，已經(jīng)探測到數(shù)十個優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，經(jīng)國際觀測認證，目前已有6顆脈沖星通過系統(tǒng)認證。
國家天文臺研究員、FAST工程副總工程師李菂曾在發(fā)布會上對媒體介紹，搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星是FAST核心科學目標。
脈沖星是遇到磁場后旋轉(zhuǎn)起來的中子星，其最大的特點是它的輻射束會周期性快速掃過地球，而且，每當它自轉(zhuǎn)一周，就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續(xù)的脈沖，這種現(xiàn)象也叫作“燈塔效應”。
對于地球上的科學家來說，脈沖星具有在地面實驗室無法實現(xiàn)的極端物理性質(zhì)，是理想的天體物理實驗室，對其進行研究，有希望得到許多重大物理學問題的答案。但因為銀河系中的大量脈沖星信號暗弱，易被人造電磁干擾淹沒，目前只觀測到一小部分。
我國具有極高靈敏度的FAST望遠鏡是發(fā)現(xiàn)脈沖星的理想設備，F(xiàn)AST在調(diào)試初期發(fā)現(xiàn)脈沖星，展示了FAST自主創(chuàng)新的科學能力，開啟了中國射電波段大科學裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的時代。
“悟空”發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)
科學家曾將宇宙的構成分為三部分，構成日、月、星辰、生命以及一切人類所認知的普通物質(zhì)卻只占宇宙的5%，其余95%以上的宇宙則是由人類還沒弄清楚的暗物質(zhì)（26.8%）和暗能量（68.3%）組成。
顧名思義，暗物質(zhì)指的是看不見的物質(zhì)。它不參與電磁相互作用，因此，暗物質(zhì)不反光，不發(fā)光，也不遮擋任何光線。同樣，暗物質(zhì)也視普通物質(zhì)為無物，即便人體也一樣。每時每刻，都有無數(shù)暗物質(zhì)粒子穿過人體，人體卻完全沒有感覺。
雖然看不到也摸不著，但是科學家卻通過萬有引力定律推斷了暗物質(zhì)的存在，并試圖捕捉這種神秘物質(zhì)的蹤跡。
我國在2015年發(fā)射升空的第一顆天文衛(wèi)星“悟空”，一直在尋找暗物質(zhì)粒子相互碰撞湮滅后產(chǎn)生的“二手”粒子，如電子、伽馬光子等。因為它在“高能電子、伽馬射線的能量測量準確度”以及“區(qū)分不同種類粒子的本領”這兩項關鍵技術指標方面世界領先，尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過程產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜信號。
今年，“悟空”在太空中首次測量到電子宇宙射線的一處異常波動，數(shù)據(jù)初步顯示存在能譜精細結構，可能是暗物質(zhì)粒子存在的新證據(jù)。目前衛(wèi)星運行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
（原載于《中國科學報》 2017年12月29日 9版）
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