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【中国科学报】独领风骚 摘橙果累累
2017-12-29|文章来源:中国科学报 袁一雪 |【
 

光量子计算机

  “慧眼”升空

   

  FAST

   

  “悟空”探测暗物质

  2017年,我国一系列重大科研突破不仅创造了我国历史上的多个第一,也突破世界上多个“首次”。从深海的可燃冰开采、航母下水,到深空的墨子量子通信、天眼探空、大飞机冲天,我国的重大科技项目取得了举世瞩目的成就。

  正如在暗物质粒子探测卫星“悟空”成果发布会上,中国科学院院长白春礼所言:“也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天,因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。”

  首台光量子计算机诞生 

  5月3日,中科院在上海召开新闻发布会,会上宣布世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

  量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。曾有人打过一个比方:如果现在传统计算机的速度是自行车,量子计算机的速度就好比飞机。因为与电子计算机相比,光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器,光子的传导是可以不需要导线的,而且即使在相交的情况下,它们之间也不会产生丝毫的相互影响。所以其信息通过能力是全世界现有电话电缆通道的许多倍。

  而这台由中科大、中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发的光量子计算机,还是名副其实的“中国造”,这标志着我国的量子计算机研究领域已迈入世界一流水平行列。

  首颗X射线空间天文卫星“慧眼”升空 

  6月15日11时00分,我国在酒泉卫星发射中心采用长征四号乙运载火箭,成功发射首颗X射线空间天文卫星“慧眼”。“慧眼”的命名,寓意我国在太空“独具慧眼”,能穿过星际物质的遮挡“看”宇宙中的X射线,也为纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何泽慧。

  作为空间科学的国之重器,“慧眼”填补了我国空间X射线探测卫星领域的空白,实现我国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。它重约2.5吨,载荷重量981公斤,其上同时安装了高、中、低能三组X射线望远镜,实际上是一座小型空间天文台。

  “慧眼”是国际上同能区探测器中面积最大的,尤其是高能望远镜的探测面积超过了5000平方厘米。面积越大,可探测到的信号越多,越有可能发现其他望远镜看不到的现象。而且,“慧眼”的视场也很大,约两天即可完成对银道面的扫描,有利于监测暂现源。根据这颗卫星的科学目标,研制人员为它制定了巡天观测、小天区观测和定点观测等多种工作模式。

  总之,“慧眼”能够穿过星际物质遮挡“看”宇宙,硬X射线调制望远镜卫星投入使用后,将为科学家提供大批高质量观测数据,有望使我国取得大量原创性科学成果。

  首条量子保密通信干线开通 

  9月29日下午,在历经42个月的建设和半年多的应用测试以及长时间稳定性测试后,世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。

  “京沪干线”是连接北京、上海,贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络,通过“墨子号”量子科学实验卫星兴隆地面站与“京沪干线”北京上地中继接入点的连接,真正打通了天地一体化广域量子通信的链路,并通过“墨子号”量子卫星与奥地利地面站的卫星量子通信,在世界上首次实现洲际量子通信。

  量子通信是由量子态携带信息的通信方式,利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。与之前的通讯原理不同的是,信息的传播需要载体,而量子通信是不需要载体的信息传递。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出完美的复制品。

  “京沪干线”的正式开通,标志着我国的量子通信技术已经走在了世界前列,并持续保持着其优势地位,并为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出坚实的一步。

  FAST找到新的脉冲星 

  “中国天眼”——500米口径球面射电望远镜——FAST,自试运行以来,已经探测到数十个优质脉冲星候选体,经国际观测认证,目前已有6颗脉冲星通过系统认证。

  国家天文台研究员、FAST工程副总工程师李菂曾在发布会上对媒体介绍,搜寻和发现射电脉冲星是FAST核心科学目标。

  脉冲星是遇到磁场后旋转起来的中子星,其最大的特点是它的辐射束会周期性快速扫过地球,而且,每当它自转一周,就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成一断一续的脉冲,这种现象也叫作“灯塔效应”。

  对于地球上的科学家来说,脉冲星具有在地面实验室无法实现的极端物理性质,是理想的天体物理实验室,对其进行研究,有希望得到许多重大物理学问题的答案。但因为银河系中的大量脉冲星信号暗弱,易被人造电磁干扰淹没,目前只观测到一小部分。

  我国具有极高灵敏度的FAST望远镜是发现脉冲星的理想设备,FAST在调试初期发现脉冲星,展示了FAST自主创新的科学能力,开启了中国射电波段大科学装置系统产生原创发现的时代。

  “悟空”发现暗物质 

  科学家曾将宇宙的构成分为三部分,构成日、月、星辰、生命以及一切人类所认知的普通物质却只占宇宙的5%,其余95%以上的宇宙则是由人类还没弄清楚的暗物质(26.8%)和暗能量(68.3%)组成。

  顾名思义,暗物质指的是看不见的物质。它不参与电磁相互作用,因此,暗物质不反光,不发光,也不遮挡任何光线。同样,暗物质也视普通物质为无物,即便人体也一样。每时每刻,都有无数暗物质粒子穿过人体,人体却完全没有感觉。

  虽然看不到也摸不着,但是科学家却通过万有引力定律推断了暗物质的存在,并试图捕捉这种神秘物质的踪迹。

  我国在2015年发射升空的第一颗天文卫星“悟空”,一直在寻找暗物质粒子相互碰撞湮灭后产生的“二手”粒子,如电子、伽马光子等。因为它在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱信号。

  今年,“悟空”在太空中首次测量到电子宇宙射线的一处异常波动,数据初步显示存在能谱精细结构,可能是暗物质粒子存在的新证据。目前卫星运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

(原载于《中国科学报》 2017年12月29日 9版)


 
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