军事科学院徐馥芳:要有勇闯科技“无人区”的胆识******
光量子干涉实物图。图片来自新华社
党的二十大报告在总结十年来的重大科技创新成果时,再一次提到了量子信息。近年来,“墨子号”“九章”“祖冲之号”等一批量子信息领域的成果集中涌现,我国量子科技实现从跟跑、并跑,到部分领跑的重大历史性飞跃,量子科技发展的体系化能力正在稳步建立。
量子力学自1900年诞生以来,打开了人类认识世界的一扇新的大门。第一次量子革命,量子力学催生了晶体管、激光等重大发明。近年来,以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命兴起,极大地影响和改变着人类的生活。
本期科技访谈录,我们邀请到军事科学院量子技术方向学科带头人、国防科技创新研究院前沿交叉技术研究中心副研究员徐馥芳,请他谈一谈神奇的量子世界,展望量子科技发展的宏阔未来。
量子之美,美在未知
记者:习主席在党的二十大报告中,把量子信息列入新时代十年重大科技创新成果之一。量子信息是什么?它和我们经常提及的量子科技有什么关系?如今我国在量子信息领域都取得了哪些重要成就?
徐馥芳:量子信息是量子物理学和信息科学交叉催生的技术领域。它利用微观体系的量子效应,实现信息的高灵敏感知、安全传输和高速处理。量子信息主要包括量子通信、量子计算和量子精密测量等3个典型技术分支。
量子科技是一个更宏观的概念。它指的是量子力学建立后催生和发展起来的一系列科学与技术。随着量子信息技术的发展,量子科技发展进入新阶段,第二次量子革命兴起。这是一次巨大的飞跃,直接或间接改变和提升着人类获取、传输和处理信息的方式和能力。
近年来,我国在量子信息领域取得了很多重大成果。在量子通信领域,我国实现了光纤量子保密通信应用演示与验证的“京沪干线”,成功发射了“墨子号”量子卫星;在量子计算领域,我国实现了“九章”光量子计算原型芯片和“祖冲之号”超导量子技术原型系统;在量子探测领域,我国多个单位研制的冷原子干涉重力测量样机在国际重力比对试验中都取得了优秀成绩,针对水下目标探测的量子磁力探测样机已经针对典型场景开展了测试,等等。
记者:我们知道,量子力学是描述微观物理世界的理论。在您的眼里,又或者说在您的想象里,量子世界有多美?
徐馥芳:量子世界之美,在于它的神秘与未知。在量子的概念提出之前,我们对微观世界的认识,往往基于对宏观世界的理解之上。受到物理学自身限制,我们无法直接观测微观世界,甚至借助光学、电子学显微镜等也只能观测到皮毛。如今,了解过量子测量的我们都知道,量子测量会对被测量子系统产生影响;处于相同状态的量子系统被测量后可能得到不同的结果。这种因果颠倒的试验结果听来近乎玄幻,也是诸多科学家无法用经典物理学理论解释黑体辐射实验的原因。
在量子世界,很多经典物理学中不存在的物理状态变得可能。量子力学直接颠覆了我们对整个世界的认知。一个全新的世界在我们面前徐徐打开,太多的未知等待着我们去探索。这怎能不令人欣喜?
如今,还有许多物理现象难以被我们理解,比如量子隧穿、电子自旋、电子轨道跃迁、单电子自身干涉、测量导致的坍缩、共轭物理量无法同时精确测量(海森堡测不准原理),等等。这些都是量子世界里的一扇扇神秘的“大门”,一旦打开走进去,里面可能是一个更加幽远深邃的“洞天”。
但是,量子世界的神秘,或者说对量子世界的疑惑,并不足以使我们怀疑量子力学。量子力学的一部分已经得到实验验证,基于量子力学发展起来的科学与技术,已经极大地改变了我们的社会,并将继续服务于人类社会生活。
量子概念图。资料图片
对未来世界的影响,将远超你的想象
记者:有句俗话说,“遇事不决,量子力学”。量子似乎已经走进了人们的日常生活,又似乎还很遥远。您怎么看?
徐馥芳:很多时候,我们会觉得量子力学离我们很远。这一略带神秘、略显高深的学科,告诉我们微观世界中存在一些超导、超流、纠缠等神奇的量子效应,一般人很难理解。虽然一直都在说量子科技正在走进我们的生活,但是这一过程,往往以基础科学的形式在起作用。量子力学指导和推动了电子技术和信息技术的发展,但是我们的科学家、工程师和用户并不一定需要对量子力学懂太多。传统的学科还在将技术进一步推向前沿,仍有在不引入量子力学的情况下的进步空间。或者更直白地说,期望改变世界的量子信息技术,目前许多还停留在实验室阶段或者初步应用阶段,有待进一步突破。
另一方面,量子力学其实离我们又很近。我们周围的物质,包括我们的身体和大脑都是由原子分子构成的,它们在微观上遵守的是量子力学的规则。我们享受的现代科技产品,手机、电脑等都是量子力学指导的产物。近年来,随着量子信息技术的快速发展,量子通信、量子计算、量子精密测量领域都取得了一些重大进展,相关的科技产品正在加速走进我们的生活。
当然,我们更需清醒地看到,量子技术在向世界展现出其强大能力和发展潜力的同时,也面临巨大挑战。这其中,不仅有来自对量子态的长时间维持和精确调控等人类改造世界能力的挑战,更牵扯到物理学基础理论等人类认识世界能力的挑战。也许,还需经过漫长的时间,有新材料、新机理等特殊契机出现后,量子技术才能真正向世界显示其威力。
记者:请您设想一下,量子信息技术会给我们的未来生活带来怎样的改变?
徐馥芳:量子信息技术对未来世界的影响,将远超你的想象。在量子信息技术的3个分支中,量子精密测量和量子通信发展得相对成熟,已经从实验室“飞入寻常百姓家”。而难度最大的量子计算,发展仍处于早期阶段,距离商用普及仍有较长距离。我们乐观估计,还要20年以上的时间才能实现。
量子计算是量子信息技术中最综合的一个技术分支,也是对信息技术冲击最大的一个分支。从算盘时代发展到冯·诺依曼架构的电子计算机时代,人类社会发生了翻天覆地的变化。从经典计算机到量子计算机,“量子比特”取代了经典的“比特”,量子计算机在理论上具有秒杀所有传统计算机的计算能力。可以想象,一旦通用量子计算机发展起来,人类社会又将再次经历巨大变化。网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域都将因为量子计算机的巨大信息处理能力,发生颠覆性改变。
有没有勇闯科技“无人区”的胆识,决定了我们未来能走多远
记者:在钻研量子技术的道路上,您遇到最艰难的挑战是什么?
徐馥芳:从我的经历来看,最艰难的往往是起步阶段。我们这个团队是伴随着2017年新军事科学院调整组建而成立的一个研究团队,刚刚成立时,团队只有几个人,来自全军不同的单位。我还清楚记得,大家刚来到单位的时候,办公场地都是临时借用的,第一份项目申报书,是在临时租借的宿舍中完成的。但大家都没有被这些现实困难吓倒,科研经费有限,就省吃俭用买设备买器件;团队人才短缺,就想方设法引进、培养青年人才……几年时间过来了,我们的团队已经相对稳定成熟,科研条件有了很大改善,也取得了不少研究成果。
回顾这段从零起步的创业历程,我最大感触是,我们这一代科研人员赶上了一个好时代。在国家高度重视科技创新的大背景下,在党中央和中央军委的相关政策扶持下,在军事科学院良好的科研氛围下,我们团队可以瞄准一个目标,心无旁骛地共同努力。在这种环境下,拼搏也成为内在的自发本能。
记者:您认为,研究量子技术和其他科学技术有什么不同?研究量子技术需要怎样的科学精神?
徐馥芳:由于量子物理的概念与宏观世界完全不同,从事量子技术研究需要经过科学的系统训练,接受其独特的逻辑和技术方法。量子力学是一门完备的、严谨的科学。没经过系统训练,利用学习到的部分量子概念,结合自己的现实经验看待或处理问题,很容易走入歧路,产生错误观点。
现在社会上对量子技术存在着两种极端理解:一种是认为量子技术是骗子技术,所有的都是假的,不认可量子力学的正确性,或者认可量子力学但不认可量子技术;另一种认为量子技术是万能的,会彻底颠覆现在的电子技术和信息技术。这两种理解毫无疑问都是错误的。量子力学是一门基础学科,我们需要理性认识基于量子力学发展起来的量子技术,尤其是方兴未艾的量子信息学。它是一门全新的交叉学科,它的发展将成为我们传统信息技术的有力补充,并成为信息技术深化发展的基础。
从我长期从事量子技术的经历来看,我认为,研究量子技术,一是需要科学严谨的态度,能够严格依据量子理论进行推理和验证,进行试验设计和现象解释;二是需要前瞻的洞察力,量子世界的现象和规律与我们熟悉的经验世界完全不同,对研究中碰到的问题,必须敢于大胆假设,勇于创新,小心求证;三是需要持之以恒的韧劲,在研究量子信息技术时,科学难题和工程技术难题同在,很多时候在短期内都难以出重大应用成果。中国古人常讲“十年磨一剑”,但在这个领域,有可能十年都难磨一剑,所以必须沉下心来埋头苦干。
在科学研究上,有时看似下的是慢功夫,实则走的是快车道。量子技术是一门非常前沿且深奥的学科,目前虽然已经有了一些研究成果,但还有更多的“无人区”等着我们去探索。当我们与世界同行站在同一起跑线上,有没有勇闯科技“无人区”的胆识,决定了我们未来能走多远。
文字整理:张志华
焦点访谈丨向创新要发展——新时代 新征程 新伟业******
党的二十大报告指出,我们要坚持以推动高质量发展为主题,推动经济实现质的有效提升和量的合理增长。企业是推动高质量发展的关键之一。近日,记者在调研采访中了解到,无论是国有企业还是民营企业,都在从实际出发,在创新上下功夫,不断提高企业的核心竞争力,在推进高质量发展中贡献着自己的力量。
记者来到大庆油田这一天,正赶上寒潮来临的第一天,室外气温零下15度。
大庆油田第一采油厂第二作业区经理 张向东:当时开采初期油多水少,到了目前油少水多,每采出100吨液量当中有96吨是水,4吨是油,相当于在水中捞油,拿油的难度越来越困难。
大庆油田已经开采了63年。几代大庆人凭借着铁人精神、大庆精神,一举甩掉了中国“贫油”的帽子,成为全国工业企业学习的榜样。到2022年10月,大庆已经累计生产原油超过24亿吨,占国内陆地同期原油总产量的40%。党的二十大报告指出,要坚持以推动高质量发展为主题,推动国有企业做强做优做大。
大庆油田总经理 党委副书记 张赫:高质量发展对于大庆油田来说,其中首要的就是高质量原油稳产,在已经高强度开发63年的基础上,我们要实现原油3000万吨高质量稳产难度更大。
原油越采越少,要想仍然保持高产稳产,困难越来越多。记者旁听了第二作业区的晨会。采油一厂第二作业区有17个基层班队,管理维护着2911口油水井,分布在30平方公里土地上。记者注意到,每天的晨会就是发现问题,第一时间解决问题,把责任落实到每一个人身上,确保每一口油水井没有故障、没有跑冒滴漏、运行正常。
室外很冷,记者在寒风里站一会儿就得不停跺跺脚。寒冷天气下作业,人可能冻坏,设备也会冻坏。晨会后,工人们就要顶着严寒对油井进行维护。
大庆油田第一采油厂第二作业区经理 张向东:我们的油水井的管理难度特别大,就像人的体检一样,发现问题及时采取维护作业,如果停产之后,我们的产量任务就无从谈起。
高质量稳产,不仅要产业工人们继续发扬铁人精神的干劲,也要不断依靠科技创新来支撑。党的二十大报告指出,要加快实施创新驱动发展战略,强化企业科技创新主体地位。面对原油越采越少的局面,十八大以来,大庆油田创造的陆相油田开发水平已经达到世界领先,水驱、聚驱、复合驱等核心技术的运用,使主力油田采收率比世界同类油田高出10到15个百分点。
复合驱技术是大庆油田正在试验和采用的自主创新型技术。截至2022年10月,已经累计从石头缝里“洗”出原油4833万吨,年产量连续6年超过400万吨。
大庆油田总经理 党委副书记 张赫:比如说二氧化碳,在别人看来是废气,但是我们通过创新,把废气变成了宝贝,把原本排向空中的二氧化碳埋进地下,把石油驱出来。我们目前已经累计埋存二氧化碳近200万吨,靠二氧化碳驱油累计已经产油80余万吨。
可是资源总有耗尽的那一天,该怎么办呢?寒潮持续影响着松辽平原,记者来到大庆油田的第三天,气温已经降到零下21℃,还伴随着5级风。大庆是一个百湖之城,有很多的泡泽,记者看到,在封冻的水泡子上,已经建设了一批水面光伏。
学习贯彻党的二十大精神,大庆油田提出要在“十四五”期间,实现“一稳三增”。在稳定国内原油高质量稳产基础上,要实现天然气、页岩油气等非常规油气资源,地热和风、光等新能源的高质量增产,清洁能源替代率达到20%以上。要想达到这一目标,仍然需要不断地创新驱动来实现。
大庆油田总经理 党委副书记 张赫:我们相信,资源有限科技无限,全力推动实现高水平的科技自立自强,为国家端稳端牢能源饭碗贡献大庆油田的力量。
中国国际经济交流中心首席研究员 张燕生:从国家高质量发展的角度来讲,粮食的安全、能源的安全、大宗商品的安全,这些安全都是中国的生命线。国企和央企在这个方面是负有重要的责任,是中华复兴战略全局,对科技、产业、现代金融提出了更高的要求。
企业是社会经济发展和创新驱动的重要力量。二十大报告不仅提出,要推动国有企业做强做优做大。同时,也提出要优化民营企业发展环境,促进民营经济发展壮大,这就给民营企业的未来发展吃了定心丸。
记者来到小米集团的时候,手机相机部总经理易彦正在上海通过视频与北京研发团队进行课题研究。过几天是新品手机发布会,相机部团队还在认真研究着相机功能的优化问题。
民企的发展壮大,同样离不开创新驱动。易彦是党的二十大代表,在手机相机领域,已经是14项发明专利发明人或共同发明人。几年来,她所领导的相机部从原先零散的几个部门发展成具备完整体系架构、远景规划和系统级技术储备能力的高科技部门,使相机成为手机的核心竞争力之一。
冬日的夜晚,记者看到,小米办公楼不少的窗户还亮着灯。白天与易彦进行了沟通,夜晚,相机部的夜枭团队还在做着测试工作。
经过与工程师长时间的了解,记者大概知道了他们在做什么。按下快门,一张照片在不到3秒的时间里,要经过去噪、提亮、细节增强、色彩还原、对齐等等十几项环节的计算,这背后,每一个环节都要依靠不同的AI算法,最终展示出一张细节清晰、颜色真实、画面干净的夜景照片。
小米集团高级算法工程师 夜枭算法研发负责人 冯超禹:夜枭算法,不光可以应用到手机拍照领域,还可以应用到自动驾驶,或者监控领域,在夜景下可以将画面处理得更清晰。
去年,在全球智能手机出货量普遍下滑情况下,小米全球智能手机市场份额连续两个季度实现环比提升,在全球55个国家和地区排名前三,欧洲地区排名第二。
小米集团党委书记 高级副总裁 曾学忠:科技创新是我们企业生存发展的基础,也是我们安身立命长远发展的资源,所以我们的高质量发展都是靠着科技创新。在咱们国家这次二十大特别强调的智能制造方面,我们构建了行业一流的灯塔工厂,探索高质量高效率发展,把技术为本、技术创新作为企业发展的源动力和推进器。
一款人形机器人,在2022年8月已经有过正式亮相。它身高177cm,体重52kg,能感知45种人类语义情绪,自主行走。现在,工程师们正在进一步优化拟人化的仿生功能,让它变得更聪明、更灵活。
二十大报告提出,强化企业科技创新主体地位,发挥科技型骨干企业引领支撑作用。一个面向未来的企业,不仅要在现有产品上始终具备核心竞争力,在未来领域也要不断探索和深耕。
实体经济是社会经济发展的基础。坚持推动高质量发展,是新时代的主题。记者走进一家家企业看到,扎实干事创业、积极创新发展,实体经济正在焕发着新活力。
核电技术已经列为我国进入创新型国家行列的重大成果之一,中核集团持续加大技术创新力度,不仅利用核能发电,还利用核能供热,可以为企业节约天然气,减少二氧化碳排放,经济账可观,环保账更亮眼。
在海南三亚西南200公里外的深海海域,我国首个自营超深水大气田“深海一号”二期工程正准备开钻,中海油正在集聚重大油气工程的技术力量,做最后的攻关。
特殊钢是制造业高质量发展的基石之一,中信泰富特钢集团潜心研发,成功生产出直径1200毫米连铸圆坯,刷新了最大规格的世界纪录,正在稳步推进大飞机、高铁、风电等领域的应用。
推动高质量发展,企业责无旁贷。习近平总书记指出,高质量发展要靠创新。我们看到,有的企业在不断挖掘潜力,寻找新的增长点;有的企业不断优化产品,出新出彩;有的不断探索前沿技术,引领行业发展。党的二十大报告指出,要强化企业科技创新主体地位。在国家一系列政策的推动下,在企业持续的努力下,中国的企业一定会在推进高质量发展中展现新作为。(央视新闻客户端)
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