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中国力量2021| 前沿科技,将从这里开始
发布日期:2022-06-17 09:06    点击次数:64

出品|网易文创

导语:“十三五”以来,我国的科技进步贡献率从55.3%提升到59.5%,重大科技成果不断涌现,在全球131个经济体创新能力排名升至第十四位。

为了谋划好未来五年的科技事业,我国“十四五”时期以及更长时期的发展对加快科技创新提出了更为迫切的要求。2021年,是“十四五”时期的开局之年,我国的科技创新更是捷报频传,在前沿科技领域,取得了许多新的突破性的进展。

那么,2021年我国在前沿科技、未来科学发展领域都取得了哪些成绩呢?让我们一起来看看。

国产处理器步入8核时代——飞腾8核处理器

2021年1月份,国产芯片厂商天津飞腾公司,正式发布了自主研发的新一代桌面处理器“腾锐D2000”。该处理器是首款国产桌面8核处理器,处理器的工作性能与上一代国产处理器相比翻了一倍。

飞腾8核处理器参数 图源:http://www.prnews.cn/press_release/395691.htm

飞腾8核处理器的工作性能达到了主流商业水平,并被进一步应用于台式机、一体机、笔记本电脑乃至5G基站中。飞腾处理器的成功研发,为我国计算机硬件生产、研发技术的独立自主,为我国的信息安全做出了重要的贡献。

打破国外操作系统垄断——麒麟操作系统

2021年10月27日,国产操作系统“银河麒麟V10 SP1”发布。同时麒麟软件公司还在国家“十三五”科技创新成就展上,展示了多款基于银河麒麟的相关解决方案。包括银行智慧柜员机、国芯柜面终端、智慧终端工控机等。

银河麒麟安全操作系统 图源:www.kylin-os.com

银河麒麟(Kylin)是由国防科技大学研制的开源服务器操作系统。此操作系统是863计划重大攻关科研项目,目标是打破国外操作系统的垄断,研发一套中国自主知识产权的服务器操作系统。它有以下几个特点:高安全、高可靠、高可用、跨平台、中文化(具有强大的中文处理能力)。

我国的计算机软硬件此前始终面对受制于人的问题。国产硬件设备、操作系统、软件平台的研发,都为国产计算机的安全性不断做出贡献。银河麒麟V10操作系统具有国内最高的系统安全性,最强的性能。同时系统适配的生态环境十分丰富,用户体验极佳,结合现在的云端概念,对系统的使用存在多重赋能。麒麟操作系统,为打造国产安全操作系统,满足国家网络空间安全需要的“遨天”计划,提供了强大的支持。

先下手,抢先机——6G专利

2021年,5G技术逐渐普及,不少居民体验到了5G极速网上冲浪的快乐。与此同时,我国的6G技术也在迅猛发展。根据最新发布的《中国互联网络发展状况统计报告》显示,我国目前6G专利技术排名世界第二,6G专利申请量排名世界第一。目前全球6G专利申请量约3.8万项,其中我国专利申请占比共1.3万余项,位居全球首位。在未来的手机信号技术发展上,中国已悄悄占据领先地位。

今年7月25日,北京邮电大学的技术人员在没有地面信号传输设备的支持下,仅通过6G卫星实现了信息传输,将北京和济南两地的信息实现了实时共享。

这意味着中国已经具备了通过6G卫星实现信息互通的能力,未来只需要进一步优化,并不断往太空发射信号卫星就可以实现6G网络的布局。

在该实验中,北京邮电大学通过让济南的一家工厂模拟灾情的方式,利用卫星信号传输,第一时间得到了该信息,并通过远程操作机器人的方式,将险情彻底解除。

图源:https://new.qq.com/rain/a/20210823a083r400

在整个实验过程中,北京的技术人员不管是接收远程信号,还是进行系统操作,都没有出现任何卡顿,将6G技术的优势发挥到了极致。

可控核聚变助力未来能源发展——人造太阳

核电站这个词,想必大家都不陌生。与传统的火力发电相比,核能发电不会产生大量碳排放,更加环保、经济、安全。目前的核电站基本都是通过核裂变发电。而核聚变发电与裂变相比,因为最终聚变废料为水,所以真正实现了无污染无危害。但核聚变难以控制,因此,如何进行可控核聚变发电,是世界各国目前面临的一大难题。

升级改造后的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)图源:央广网

2021年5月,中国的“核聚变能源”——人造太阳,创造了全新的世界纪录。等离子体人造太阳分别在1.2亿摄氏度下运行了101秒,在1.6亿摄氏度下运行了20秒。对人造太阳的控制,为此后的可控核聚变技术的研发打下了坚实的基础。

“人造太阳”示意,图源:视觉中国

全球首座!第四代核能技术——石岛湾核电站

2021年9月12日上午,山东荣成石岛湾核电站开始并网发电。核电作为清洁环保的发电方式,与国家的碳中和规划息息相关。而石岛湾核电站是高温气冷堆核电站示范工程,客服中心属于全球首座第四代核电站成功商业化的示范项目。模块式高温气冷堆核电站安全性高,系统相对简单,发电效率高,经济效益强。

石岛湾核电站由清华大学自主设计,我国独立建造完成,属于全世界第一座具有模块式高温气冷堆的核电站。核电站的安全性始终是公众担心的问题。切尔诺贝利事件、福岛核电站事件,都给公众留下了深深的心理阴影。

而石岛湾核电站建设的过程中,就尤为注意核电站的安全问题。核电站的安全技术满足第四代核电站的各项技术指标。核电站的实验堆堆芯最高温度不超过1500℃,远低于设计限值1620℃。此外,石岛湾核电站设计阶段就模拟过多种不同的突发情况处理,包括丧失所有外部电源、失冷失压等极端情况。核电站能做到在不需人员专门处理的前提下,自动完成对这些极端情况的处理,保证核电站与周围环境的安全。

量子计算原型机——祖冲之号

2021年5月8日,中国科学院中科院量子信息与量子科技创新研究院发布了量子计算原型机“祖冲之”号问世的消息。祖冲之号拥有全球最大的量子比特数:62比特,并且成功实现了可编程的二维量子行走。

祖冲之号的核心部件为一个由62个可控功能量子位元组成的8×8阵列的二维超导量子处理器,成功实现了单粒子和双粒子的量子行走,并观察到了两种量子行走的干涉条纹情况,其超越了之前谷歌公司的“悬铃木”53个可控比特量子计算机保持的记录,对将来的量子模拟、量子搜素算法以及通用量子计算都具有极其重要的意义。

祖冲之号二维超导量子处理器示意图

Gong M,Wang S,Zha C,etal.Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconductingprocessor[J].2021.

在今年的10月份,祖冲之一号的升级版本—祖冲之二号就成功问世。采用全新的倒装焊3D封装工业,将大规模比特集成的问题成功解决,实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成,最大态空间维度达到了1019,将各个可控比特之间的耦合强度实现了的快速、精确可调,提高了量子并行计算的保真度,在处理计算问题时较目前最快的超算计算机快一千万倍,计算复杂度较“悬铃木”提高了近百万倍。

中美主要量子计算机性能对比表

图源:中科院量子计算云平台https://quantumcomputer.ac.cn/index.html

量子计算的计算方式、计算效率与传统的电子计算机完全不同。传统的计算机通过电信号中的0和1进行计算、传输、存储。而量子计算机直接使用原子、光子等量子的量子状态进行计算。作为对比,量子计算机处理特定问题的速度,可以达到超级计算机的100万亿倍。特别是解决现在主流的RSA密码问题,量子计算可以说是让所有主流密码都“无所遁形”。祖冲之号的研发,代表中国切实在量子计算领域走在了世界前列。

量子计算优越性——九章二号

2021年10月,中国科学技术大学的研究团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作发布了最新的量子计算原型机“九章二号”。

据悉,相比于此前的九章一号,九章二号要快100亿倍;相比于目前全球最快的超级计算机,九章二号的运算速度要快上亿亿亿倍;九章二号1毫秒能够计算出来的问题,目前全球最快的“超算”需要30万亿年。

与“祖冲之号”相比,九章二号走了不同的技术路线。九章二号一共构建了113个光子,存在144种模式。在展示“量子计算优越性”的高斯玻色取样任务的快速求解问题上,九章二号的求解速度比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍。

与祖冲之号相比,九章二号代表了不同的技术路线。祖冲之号使用的是超导量子,而九章二号使用的是光量子。二者的研发,代表我国在量子计算的不同技术路线上都走在了世界前列。量子计算很可能是下一代信息技术革命的关键,而我国已在这一领域遥遥领先。

史诗级黑科技——二氧化碳合成淀粉

2021年9月24日,中科院天津工业生物技术研究所与中科院大连化学物理研究所等单位的研究团队联合在《科学》杂志发表文章,首次实现了实验室中从二氧化碳合成淀粉的工作。这一工作使得淀粉生产给淀粉生产提出了天然作物之外的车间生产可能。

常规的淀粉合成都需要通过植物的光合作用。而人工合成淀粉,给我们的生产生活带来了完全不同的认识。这也是人类逐渐结构自然界、合成有机物的重大突破。这一技术为我们以后的生活、面对食物短缺的突发情况的处理提供了更多的可能。

碳生物合成领域重大突破——一氧化碳合成蛋白质

2021年10月30日,中国农业科学院饲料研究所和北京首钢朗泽新能源科技有限公司等单位共同发表了一氧化碳合成蛋白质的成果。我国率先突破在工厂化条件下,实现了从一氧化碳到蛋白质的生产变化,且目前已具备万吨级的生产能力。

该项研究以含一氧化碳、二氧化碳的工业尾气和氨水为主要原料,制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白,将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳,实现了从0到1的自主创新,具有完全自主知识产权。

乙醇梭菌蛋白生产工艺流程 中国农科院供图

淀粉与蛋白质是食物的两种主要成分。一氧化碳合成蛋白质,与二氧化碳合成淀粉一起,对于人类的有机物生产、粮食问题的解决给出了更多的可能性。

结语:

2021年,中国在信息技术、核能发电、量子计算、生物科学等领域都取得了突破性的进步。这离不开国家对于科研工作的大力支持,也离不开千千万万科研人员的不懈努力。相信随着时代的不断进步,中国在前沿科技领域取得的成就将会越来越多,越来越强!

参考资料:

1,https://baijiahao.baidu.com/s?id=1714746036977783583&wfr=spider&for=pc

2, https://baike.baidu.com/item/银河麒麟/2413751?fromtitle=麒麟操作系统&fromid=2336496&fr=aladdin

3,https://baijiahao.baidu.com/s?id=1709491094423550100&wfr=spider&for=pc