如何冲破欧美科技封锁？三大方向是关键
导读
2023 年春节期间，《流浪地球 2》大火，从太空电梯、行星发动机、星际飞船、阵列核爆月球到仿生智能机器人、仿生外骨骼、量子计算机、全同步同声传译等等，一系列科技元素不仅在视听上给了我们巨大的冲击，而且拓展了我们对科学技术边界的想象。
近年来，大到关乎国运的“芯片之战”，小到每个人日夜不离手的手机、平板，远到遥远太空的空间站，近到饭店送餐的机器人，科学技术成了每个国家、每个个体都密切关注的焦点。
我们不禁要问，科学技术从哪里肇始？又如何一步步成为决定人类历史进程的关键变量？科学技术的下一个风口在哪里？而对我国来说，科技创新情况的进展如何？面临哪些机遇和挑战？我们将如何击破欧美的技术和产业封锁，在惨烈的国际科技竞争中赢得主动？
背景图：《流浪地球2》剧照
正文
大到关乎国运的“芯片之战”，小到每个人日夜不离手的手机、平板，远到遥远太空的空间站，近到饭店送餐的机器人，科学技术成了每个国家、每个个体都密切关注的焦点。
我们不禁要问，科学技术从哪里肇始？又如何一步步成为决定人类历史进程的关键变量？科学技术的下一个风口在哪里？
人类历史中的技术突破多如繁星，但归根结底仍遵循着幂律分布——“关键少数”技术主导着社会的变革。
极少数关键技术创新产生了最大的价值，远远超过其他技术。这些关键核心技术的作用不可替代，它们首先具备原创性、引领性、关键性、创新性的特点，并最终产生基础性、革命性、时代性意义。在关键核心技术的引领下，其他技术创新循势而上，纷纷涌现，并且不断组合和进化，最终创造出巨大的生产力，广泛推动着经济和社会的发展。
要打造中国科技创新版图，抓住能量、物质、信息这三个科技发展的“最基本命题”至关重要，这是把握原创性、引领性科技攻关的重点方向，抢占科技创新最前沿和制高点的关键。
能量突破：可控核聚变
拥有源源不断的清洁能源是人类梦寐以求的。目前的核电站都是依靠核裂变反应获得能量，但裂变反应会产生大量的核废料，而这些核废料稍处理不慎，就会带来严重的放射性污染。特别是随着核电的发展，核废料会越积越多，到现在为止还没有找到永久性地处理这些废料的办法。
为了克服核废料难以处理这一棘手的问题，科学家们已尝试利用核聚变反应获取核能。所谓核聚变就是几个轻核（如氢）聚合成一个重核，在这一过程中会释放出远大于裂变反应的能量。天文学家发现，太阳的组成元素中，氢占到了70%多，如果太阳能真是核反应提供的，那这种核反应很可能就是氢核聚变。
1938年，美国物理学家贝特证明，在太阳的高温下，失去了电子的氢核会结合成一个双质子。但这种核不稳定，其中的一个质子会马上放出一个正电子而变成中子，使双质子核变成氢的同位素氘。在高温动能的驱使下，两个氘核又会合成一个氦核，并释放出巨大的能量。这种反应不但能量更大，而且反应的生成物是稳定的元素，没有核废料，因此也就不存在放射性污染。
一旦实现可控核聚变，人类将彻底挣脱能源束缚。
人类将实现能源自由：聚变燃料氘在海洋中大量存在，据计算，一桶海水中能提取的氘的能量相当于300桶汽油；虽然氚不存在于自然界中，但可以通过地球富含的锂元素进行转化。并且，除了氘－氚聚变，科学家也寻找到了大量的替代方案，如氢硼聚变等，都有望成为可控核聚变的燃料。
人类将获得能源安全：可控核聚变堆中没有用来制造核武器的浓缩放射性材料（如钚、铀等），就算约束失败，不稳定的等离子体也会在极短的时间内冷却，不会发生核灾难。
人类将使用清洁能源：可控核聚变的产物主要是中子和惰性元素氦，并不会产生二氧化碳造成温室效应，也不会产生对环境造成巨大影响的放射性废物。
几十年来，科学家虽然在这方面已经取得巨大的进步，但仍然没有达到足以商用发电的水准，甚至一直没有实现输出能量大于输入能量的能量增益。这是因为没有任何一种容器可以承受超过1亿摄氏度的高温，并且在如此高的温度下，氘氚燃料呈现出电子和原子核分离的混合状态，即等离子体态。等离子体态下的物质在内部会产生复杂的电磁场和不稳定性，使得科学家无法准确预测它的状态，进而难以将这样一个“洪水猛兽”约束在人类设计的牢笼中并达到聚变条件。
日前，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置实现了人类历史上首次激光可控核聚变点火：实验输入2.05兆焦耳激光能量，产生了3.15兆焦耳聚变能量输出（大约是电动汽车行驶10公里所需的能量），实现“净能量增益”。这是人类能源史上的重大突破，从科学原理和工程技术上验证了未来核聚变能源 的可行性，开启了人类进入清洁能源时代的大门。
人类历史上首次激光可控核聚变点火，是科学研究领域的一个重大突破，证明了在实验室实现可控核聚变的可行性，也为聚变能源的实际应用打下了坚实的基础—从单纯追求点火迈入探索更高能量增益的聚变方案，最后在应用层面上实现聚变发电，获得近乎取之不尽、用之不竭的终极能源。
但是，我国的惯性约束聚变研究起步稍晚。近年来，我国相关研究在蓬勃发展，间接驱动方案已经在国内大型激光装置上完成了理论验证，并且大量研究聚变中基础物理的分解实验也已完成，研究人员对惯性约束聚变的认识达到了世界前沿水平。
中国工程物理研究院贺贤土院士和中国科学院张杰院士都分别提出了新的皮实性更好和高增益的聚变点火方案。从目前来看，要建成商业核聚变电站，实现真正意义上的聚变能源应用仍需几十年的努力。
在如今可控核聚变翻开新篇章的背景下，中国的激光聚变研究者既要优化更皮实的激光聚变点火方案，探寻工程上聚变能源的实际应用，又要学习研究理解复杂聚变系统的物理真实，通力合作，争取实现激光可控核聚变领域的“弯道超车”，为实现人类“能源自由”做出中国贡献。
物质突破：把目光转向宇宙
1964年，苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫指出，文明可以根据其可用能量的总量进行分类。按照他的定义，0级文明只能利用其所在星球有限的能量。按照美国天文学家和天体物理学家卡尔·萨根的计算，人类目前的卡尔达舍夫指数约为0.75。而1级文明，“可利用所在行星上的所有能量来源，包括该行星接收到的来自宿主恒星的全部光能，能够对本星球进行完全的掌控”。
可控核聚变的实现有望使我们拿到1级卡尔达舍夫指数的门票。从此，人类掌控的不仅是星球上的全部能源资源，还能够对地质变动、大气变迁、生物圈更替、海洋活动等星球本身的活动进行人为操控。文明层级的上升还将使人类有机会开发和利用外太空的物质资源。
20世纪20年代，美国科学家哈勃发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。之后，又进一步发现宇宙在加速膨胀。关于引起宇宙加速膨胀的主要原因，主流观点认为在宇宙可观测到的物质之外，还存在暗物质、暗能量。宇宙中可见物质仅占4.9%，而暗物质占到26.8%，暗能量占到 68.3%。暗物质不发光，不发出电磁波，从来没有被直接“看”到过。暗物质和暗能量，被称为21世纪物理学的两朵新“乌云”，是当前研究的热点，世界科技大国都在积极布局开展这方面的研究和探测。
探测暗物质的方式主要分为三类：一是对撞机探测，如欧洲核子中心的大型强子对撞机；二是在地下进行的直接探测，如我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展的相关实验；三是间接探测，主要在外层空间进行，通过收集和分析高能宇宙射线粒子和伽马射线光子寻找暗物质存在的证据。
2022年底，《科学》杂志评选的2022年10大科学突破已揭晓，美国航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，简称韦布望远镜）摘得桂冠。作为人类历史上最大的空间望远镜，韦布望远镜不仅摆脱了地球大气的困扰，还装备了一整套红外波段观测设备，从而得以窥见宇宙遥远的过去，观测到远在130亿光年之外的天体（也就是观测到130亿年前的宇宙），这是大名鼎鼎的哈勃空间望远镜都做不到的。镜面口径的提升也大大增加了望远镜的分辨力，使得韦布望远镜发回的第一批图像细节满满。对于同一个观测目标，韦布望远镜展示的细节之丰富，远超所有前辈。
除了揭秘宇宙极早期历史，韦布望远镜还可搜寻地外行星乃至分析地外行星的大气组成，为寻找人类在宇宙中的同伴做巨大贡献2022年9月，韦布望远镜发现了一颗7倍木星质量的硕大系外行星HIP65426b，并且从4个不同波段绘制了图像，揭示了许多有关其所在恒星系的奥秘。2022年11月，韦布望远镜首次在系外行星 WASP—39b大气中发现二氧化碳存在的明确证据——这项对其他望远镜来说难如登天的任务在韦布望远镜这儿只能算是小菜一碟。结果显示，这颗土星质量的行星围绕着一颗距地球700光年的恒星运动，大气中存在水蒸气、钠、钾、二氧化碳，乃至些许云。
在外太空，不仅有人类已知的、有明确利用价值的物质，很可能存有尚未被我们知晓的物质，就如同石油之于美索不达米亚的远古人类。比如，在火星和木星之间的小行星带上，有一个含有海量矿物的小行星16Psyche。目前的研究表明，16Psyche是远古时期的一个小行星的星核，在经受了无数次陨石轰炸以后， 其外表的岩层都被剥离了，露出了里面几乎是纯金属的部分，主要成分是人类工业发展必需的铁和镍，同时还富集了超过50亿吨的黄金、铂金等贵金属。
信息突破：量子通信
人类的通信史在不断演进，通信方式和通信媒介都在发生变化。通信方式从两个罐头盒加一根绳子开始发展为鸡毛信、电报、拨号盘电话、按键电话、手机、短信、微信，当然，今天迎来了全新的“量子通信”。通信媒介从固体、空气、电缆、光纤，到今天的“量子”。
电子、光子等构成物质的基本粒子，统称为量子，它们是构成物质的最基本单元，无法再进行分割。起源于20世纪初的量子力学用概率描述物理现象，看起来的确有些“玄”：微观尺度上的粒子“可能”在这里又在那里，“可能”同时向两个方向运动；粒子之间还可以互相纠缠—通过某种方式即时地远程感知、影响对方。经过爱因斯坦、玻尔、海森伯、薛定谔等科学巨擘不断完善，量子力学理论初步成形并持续发展。这套看似“不合常理”的理论获得越来越多的实验支持，催生了许多重大发明—原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等。欧盟在2016年宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目时，将上述成果称为“第一次量子革命”。
量子信息技术是量子力学的最新发展，代表了正在兴起的“第二次量子革命”，其中最具代表性的就是量子通信。量子通信主要解决通信安全性问题。传统信息加密技术依赖数学算法的复杂性，但随着计算能力的飞速提升，再复杂的加密算法也有可能被破解。基于“量子密钥”的量子通信，则从客观物理规律这一根本出发，做到“绝对安全”。
量子通信主要有两种方式。
一种是利用量子的不可克隆性质生成量子密码，是二进制形式的，可以给经典的二进制信息加密，这种通信方式被称为“量子密钥分发”。
第二种是利用量子纠缠来传输量子信息的最基本单位——量子比特。两个处于纠缠态的粒子A和B，不论它们分开多远，我们把其中一个粒子（A）和携带想要传输的量子比特的粒子（C）一起测量一下，C的量子比特马上消失，但是B马上携带了C之前携带的量子比特，我们把这个过程叫作“量子隐形传态”。
根据量子力学“不确定性原理”，处于纠缠态的两个粒子在被观测前，其状态是不确定的，如果对其中一粒子进行观测，在确定其状态的同时（比如为上 旋），另一粒子的状态瞬间也会被确定（下旋）。量子力学的“不确定性原理”则约束了窃听行为本身，只要有人试图测量量子，量子的状态就自动发生改变，“举报”窃听行为；此外，量子的不可克隆性决定了窃听者无法精准复制量子信息。因此，用量子做成“密钥”来传递信息，窃听必然会被发现，且加密内容不可破译。
目前，量子通信是各国关注的重点。2022年10月4日，诺贝尔物理学奖更是授予了在量子信息领域做出开创性贡献的三位科学家。
2016 年，中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。该卫星可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建 立量子光链路，实现了世界首个卫星和地面之间的量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态。“墨子号”取得成功，激发了国际上很多国家投入空间量子通信计划的热情。
目前，我们不管是在“墨子号”还是后续的低轨小卫星上，都在国际上保持领先。未来，我们有望通过太空中低轨、高轨的卫星组网，实现天地一体化的广域量子通信保密体系，并且与经典的通信网络实现无缝连接，来构建具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国际信息安全生态系统。
IPP-Review
编辑 | Aleutian
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