光量子計(jì)算機(jī)

“慧眼”升空

FAST

“悟空”探測(cè)暗物質(zhì)
　　2017年，我國(guó)一系列重大科研突破不僅創(chuàng)造了我國(guó)歷史上的多個(gè)第一，也突破世界上多個(gè)“首次”。從深海的可燃冰開(kāi)采、航母下水，到深空的墨子量子通信、天眼探空、大飛機(jī)沖天，我國(guó)的重大科技項(xiàng)目取得了舉世矚目的成就。
　　正如在暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”成果發(fā)布會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮所言：“也許在人類科學(xué)發(fā)展的歷史上，大家會(huì)記住今天，因?yàn)橹袊?guó)科學(xué)家已經(jīng)從自然科學(xué)前沿重大發(fā)現(xiàn)和理論的學(xué)習(xí)者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺(tái)中央?！?br/>　　首臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)誕生
　　5月3日，中科院在上海召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，會(huì)上宣布世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)在我國(guó)誕生。這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。
　　量子計(jì)算機(jī)是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力的計(jì)算機(jī)。曾有人打過(guò)一個(gè)比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車，量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。因?yàn)榕c電子計(jì)算機(jī)相比，光子計(jì)算機(jī)具有極為理想的光輻射源——激光器，光子的傳導(dǎo)是可以不需要導(dǎo)線的，而且即使在相交的情況下，它們之間也不會(huì)產(chǎn)生絲毫的相互影響。所以其信息通過(guò)能力是全世界現(xiàn)有電話電纜通道的許多倍。
　　而這臺(tái)由中科大、中國(guó)科學(xué)院—阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、中科院物理所等協(xié)同完成參與研發(fā)的光量子計(jì)算機(jī)，還是名副其實(shí)的“中國(guó)造”，這標(biāo)志著我國(guó)的量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)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(shí)00分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心采用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射首顆X射線空間天文衛(wèi)星“慧眼”。“慧眼”的命名，寓意我國(guó)在太空“獨(dú)具慧眼”，能穿過(guò)星際物質(zhì)的遮擋“看”宇宙中的X射線，也為紀(jì)念推動(dòng)中國(guó)高能天體物理發(fā)展的已故科學(xué)家何澤慧。
　　作為空間科學(xué)的國(guó)之重器，“慧眼”填補(bǔ)了我國(guó)空間X射線探測(cè)衛(wèi)星領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在空間高能天體物理領(lǐng)域由地面觀測(cè)向天地聯(lián)合觀測(cè)的跨越。它重約2.5噸，載荷重量981公斤，其上同時(shí)安裝了高、中、低能三組X射線望遠(yuǎn)鏡，實(shí)際上是一座小型空間天文臺(tái)。
　　“慧眼”是國(guó)際上同能區(qū)探測(cè)器中面積最大的，尤其是高能望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)面積超過(guò)了5000平方厘米。面積越大，可探測(cè)到的信號(hào)越多，越有可能發(fā)現(xiàn)其他望遠(yuǎn)鏡看不到的現(xiàn)象。而且，“慧眼”的視場(chǎng)也很大，約兩天即可完成對(duì)銀道面的掃描，有利于監(jiān)測(cè)暫現(xiàn)源。根據(jù)這顆衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)，研制人員為它制定了巡天觀測(cè)、小天區(qū)觀測(cè)和定點(diǎn)觀測(cè)等多種工作模式。
　　總之，“慧眼”能夠穿過(guò)星際物質(zhì)遮擋“看”宇宙，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星投入使用后，將為科學(xué)家提供大批高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，有望使我國(guó)取得大量原創(chuàng)性科學(xué)成果。
　　首條量子保密通信干線開(kāi)通
　　9月29日下午，在歷經(jīng)42個(gè)月的建設(shè)和半年多的應(yīng)用測(cè)試以及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試后，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開(kāi)通。
　　“京滬干線”是連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星興隆地面站與“京滬干線”北京上地中繼接入點(diǎn)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(guò)“墨子號(hào)”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(shí)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(shí)現(xiàn)保密通信過(guò)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(xué)角度，可以這樣來(lái)想象隱形傳送的過(guò)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(diǎn)，接收者依據(jù)這些信息，選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元，制造出完美的復(fù)制品。
　　“京滬干線”的正式開(kāi)通，標(biāo)志著我國(guó)的量子通信技術(shù)已經(jīng)走在了世界前列，并持續(xù)保持著其優(yōu)勢(shì)地位，并為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)邁出堅(jiān)實(shí)的一步。
　　FAST找到新的脈沖星
　　“中國(guó)天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡——FAST，自試運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)探測(cè)到數(shù)十個(gè)優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，經(jīng)國(guó)際觀測(cè)認(rèn)證，目前已有6顆脈沖星通過(guò)系統(tǒng)認(rèn)證。
　　國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST工程副總工程師李菂曾在發(fā)布會(huì)上對(duì)媒體介紹，搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星是FAST核心科學(xué)目標(biāo)。
　　脈沖星是遇到磁場(chǎng)后旋轉(zhuǎn)起來(lái)的中子星，其最大的特點(diǎn)是它的輻射束會(huì)周期性快速掃過(guò)地球，而且，每當(dāng)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(yīng)”。
　　對(duì)于地球上的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，脈沖星具有在地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極端物理性質(zhì)，是理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室，對(duì)其進(jìn)行研究，有希望得到許多重大物理學(xué)問(wèn)題的答案。但因?yàn)殂y河系中的大量脈沖星信號(hào)暗弱，易被人造電磁干擾淹沒(méi)，目前只觀測(cè)到一小部分。
　　我國(guó)具有極高靈敏度的FAST望遠(yuǎn)鏡是發(fā)現(xiàn)脈沖星的理想設(shè)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(xué)能力，開(kāi)啟了中國(guó)射電波段大科學(xué)裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的時(shí)代。
　　“悟空”發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)
　　科學(xué)家曾將宇宙的構(gòu)成分為三部分，構(gòu)成日、月、星辰、生命以及一切人類所認(rèn)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(méi)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(jiàn)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(wú)物，即便人體也一樣。每時(shí)每刻，都有無(wú)數(shù)暗物質(zhì)粒子穿過(guò)人體，人體卻完全沒(méi)有感覺(jué)。
　　雖然看不到也摸不著，但是科學(xué)家卻通過(guò)萬(wàn)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(guó)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?yàn)樗凇案吣茈娮印①ゑR射線的能量測(cè)量準(zhǔn)確度”以及“區(qū)分不同種類粒子的本領(lǐng)”這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面世界領(lǐng)先，尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過(guò)程產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜信號(hào)。
　　今年，“悟空”在太空中首次測(cè)量到電子宇宙射線的一處異常波動(dòng)，數(shù)據(jù)初步顯示存在能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，可能是暗物質(zhì)粒子存在的新證據(jù)。目前衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2017年12月29日 09版）