国际科学技术前沿报告2021

《国际科学技术前沿报告2021》从基础交叉前沿、空间光电、信息、材料、能源、生物、人口健康、农业、海洋、资源与生态环境等主要科技领域以及科技基础设施和数据计算平台等科技研发平台中，选择原子分子物理学与光学物理、微小卫星技术、量子传感与测量技术、冶金智能化制造关键技术、下一代电化学储能技术、脑机接口技术、基因治疗技术、生物育种技术、北极研究、可持续发展研究、光学天文望远镜以及百亿亿次计算技术等12个科技创新前沿领域、前沿学科、热点问题或技术领域，逐一对其进行国际研究发展态势的全面系统分析，剖析这些前沿领域和热点学科或科学问题的国际总体进展状况、研究动态与发展趋势、国际竞争发展态势，并对我国开展这些相关前沿领域和热点问题研究提出对策建议，为我国这些领域的科技创新发展的科技布局、研究决策等提供重要的咨询依据，为有关科研机构开展这些科技领域的研究部署提供国际相关领域科技发展的重要参考背景。

1 原子分子物理学与光学物理国际发展态势分析
　　刘小平 吕凤先 贾夏利
　　（中国科学院文献情报中心）
　　1.1 引言
　　AMO 阐明了物理学的基本规律，在原子和分子的层次上研究物质的组成及演变发展，理解光与物质的相互作用（佘永柏，1988），包含了原子分子物理学和光学的内容，二者紧密结合。就研究的对象而言，原子分子物理学与光学往往是相互交叉渗透，难以明确区分的。在研究原子和分子的时候，会研究原子和分子的光学性质。而光学的研究内容则包含了光作为一种物质存在的形式和运动的基本形态的研究，以及光与物质相互作用的诸多领域的研究等内容。原子分子物理学与光学的紧密联系还体现在量子化概念的提出上：人们把光作为一种物质进行研究，从对光的特殊形态的研究中提出了量子化的概念（叶佩弦，1989）。
　　原子分子物理学领域研究的产出成果具有高影响力。自1985 年来，诺贝尔物理学奖中，除了凝聚态物理、高能物理之外，原子分子物理学领域也产出了较多的诺贝尔奖。
　　AMO 对科学的发展具有重要意义。AMO 是桥梁，可以连接物理学的其他学科。AMO 所建立起来的实验方法及理论，经常为核物理、等离子体物理、大气物理、凝聚态物理等所采用。AMO 是基础，基于AMO 产生的各种数据（包括精确测定的自然界的各种基本常数）是整个自然界的知识基础之一。AMO 还在基础科学和应用技术之间建立起广泛而深入的联系，有望催生出改变人类社会的新技术。
　　在AMO 子领域的划分方面，本文将采用美国国家科学院对AMO 的主题划分方式—— 光工具、少体系统和多体系统的新现象、量子信息科学技术的基础、在时域和频域利用量子动力学、宇宙的前沿研究和基本性质（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2020），对政策部署、项目部署、论文产出情况、重要进展进行研究。基于这一分类，本章第2 部分识别各国/组织的重要资助机构的项目部署重点领域；第3 部分分析各国/组织近十年论文产出情况、重要进展（SCI 论文数据属于Web of Science 数据库中的“物理学，原子能、分子能和化学”和光学两个类别①）；第4 部分分析各子领域的研究趋势；第5 部分分析我国在各子领域的优势研究成果；第6 部分将我国的发展情况与重要发展国家/组织进行对比，提出我国发展该学科的具体政策建议。
　　1.2 美国、欧盟、英国、日本、中国的布局重点
　　1.2.1 美国的布局重点及支持举措
　　本节将根据美国国家科学院2020 年的评估报告提取其识别的AMO 前沿。该报告是美国国家科学院自1994 年起发布的AMO 领域系列报告的第六份报告，其余五份报告是，1994 年的《原子、分子和光学科学：对未来的投资》，2002 年的补充报告《AMO 科学促进未来》，2007 年的《控制量子世界：原子、分子科学》，2013 年的《光学和光子学：我们国家的基本技术》和2018 年的《强激光超快激光的机遇：实现最亮的光》（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2018）。
　　1.2.1.1 光工具
　　产生具有精确控制性质的光作为探测和控制物质的新工具。该研究聚焦于以下几点。
　　①产生具有极佳特性的激光，激光强度（亮度）、持续时间、频率（颜色）和相干性（一体性）是重要的特性。②操纵光的特性，频谱调制——调制出可以与量子系统相互作用的波形（如克尔梳的逐行脉冲整形）。③开发用于不同应用的“平台”。例如，色心——晶体学缺陷，尤其是在宽带隙晶体材料中的色心，已成为光-质耦合、量子信息处理和量子传感的平台；在硅芯片上使用数千个单片集成光学组件来定义和控制光的流动的光子平台。④利用光的基本属性来生成用于计量和传感的新工具。
　　未来，对光工具领域的研究需要解决的主要问题包含以下几个方面。
　　（1）高强度激光光源技术的目标
　　实现1022 瓦/厘米2、10 拍瓦（pettawatt，PW）和更高的激光强度、能量。重点研发方向包含：①半导体激光泵浦技术；②掺镱的固体激光器；③使用大口径激光材料冷却技术提升高峰值功率系统的脉冲频率；④提升光纤-几何固体激光器（fiber-geometry solid-state lasers）的峰值功率；⑤通过波束和/或脉冲组合方案扩展基于光纤激光器光源的连续波的功率和峰值功率；⑥研发光参量啁啾脉冲放大器，以降低达到拍瓦峰值功率所需的脉冲能量；
　　⑦研发啁啾脉冲放大器脉冲压缩方案，以取代或加强目前的拍瓦类系统中使用的光栅技术。X 射线自由电子激光器等新型光源或可扩展到更高平均功率和峰值功率的光源，该建议于2018 年由美国国家科学院提出，2021 年，美国参议院在一项建议的法案中支持建立拍瓦级激光和高平均功率激光技术（Congress，2021）。
　　（2）实现超低损耗平台，主要研究集成光学、光机械系统、阿秒光源、固体中色心的光学控制
　　集成光学：非线性光学可以在不同的频率生成和控制光，探索非线性光学应用于集成光学时超低损耗的原因和减少损耗的方法，探索与集成光学平台集成的新型二维材料。新型光力学系统（Optical Mechanics，OM）研究：OM 是指在光（作为光子）和机械运动（通常为声子）之间进行转导的系统。OM 系统中光子和声子之间的相互作用（简称OM 相互作用）已被用于探究基本的科学问题，例如，测量精度的最终限制是什么？经典行为与量子行为之间的界限在哪里？要在量子状态下实现OM 相互作用的全部潜力，最大的障碍就是机械振荡器的热噪声，未来振荡器的较低的热噪声将允许量子波动完全控制机械振荡器的运动（甚至在室温下也是如此）。阿秒光源：阿秒光源为研究人员及时跟踪物质中的电子运动提供了工具，未来十年，基于气相高次谐波（High Harmonic Generation，HHG）和X 射线自由电子激光（XFELs）的阿秒X 射线用户设施将为许多领域的研究人员提供研究电子的动力学的平台。
　　1.2.1.2 少体系统和多体系统的新现象
　　（1）从少体到多体系统
　　含有四个原子的通用态的研究。2006 年，奥地利研究人员首次观察到了通用三原子Efimov 态，即原子两两相互排斥，但是，当引入第三个原子时，就有足够的吸引力将三个原子结合为一个稳定的系统。目前，研究人员正在寻找含有多于四个原子的通用态。对具有奇异现象的少体系统进行观察：原子中的电子被激发到里德堡态，电子概率分布呈现三叶虫化石或者蝴蝶形状；由两个里德堡原子通过超长程相互作用结合而成的大二聚体；两个或者两个以上基态原子与一个里德堡原子结合。
　　（2）原子简并量子气体
　　①单一散射极限量子气体的研究。对两组分简并费米气体的研究取得重要进展，原子间相互作用处于统一极限的玻色气体的少体和多体动力学将是下一个研究重点。②由强磁性原子组成的量子气体的研究。强磁性原子组成的超冷量子气体平台中，每个磁原子有外部（运动）和内部（自旋）自由度，原子之间存在普通的短距离“接触”的相互作用和磁偶极-偶极相互作用。未来研究方向：开壳层重原子［如铒（Er）或镝（Dy）］之间的相互作用、更多的磁性原子组成的量子气体中的相互作用、表现出宏观量子相的大体积磁性原子量子气体与稠密量子流体（如超流体氦）之间的联系。③基于超冷原子研究极端相互作用或者接近有序态相变时的极化子物理学。极化子是一个准粒子，当杂质原子耦合到介质，并与介质的虚拟量子激发纠缠时出现。未来研究方向：在极端相互作用条件下，或接近有序态的相变时，基于超冷原子系统研究极化子。
　　（3）强相关量子多体系统的模拟量子模拟
　　①基于光学晶格中的超冷原子或者分子的哈伯德（Hubbard ）模型。光学晶格中的超冷原子和分子构建的Hubbard 模型是模拟量子模拟器的范例。未来重要的研究方向：基于量子气体显微镜或者机器学习等方法进行二维Hubbard 模型完整相图的测量；以受控方式在初始状态的Hubbard 模型中添加附加项（如场外相互作用、合成规范场、更改晶格几何形状等）对多种现象进行量子模拟。②基于冷原子实验探索强相互作用情况下的拓扑现象。基于冷原子实验探索拓扑现象的研究可在非相互作用（或弱相互作用）区域进行，当增强原子间的相互作用，达到拓扑物质的强关联区域时，冷原子气体会发生加热现象、变得不稳定。因此，当前的主要挑战是应用人工规范场这一技术生成具有强相互作用的拓扑能带结构时，消除加热过程和稳定强相互作用的原子气体。③强相互作用量子系统的非平衡动力学研究。在通用的交互多体环境中是否以及如何出现局域化和非遍历性，即多体局域化（many-body localization，MBL）问题，是一个重要的研究方向。MBL 等非平衡量子现象的理论和实验挑战：新的理论方法预测量子多体系统的定性行为，特别是遍历和MBL 物相之间的转变和更高维度上的行为；在实验中，需要更好地将量子系统与环境隔离开来，以便更清楚地区分短时和长时动力学，并明确识别MBL，扩大系统尺寸，以便在没有理论预测的情况下，通过有限尺寸缩放试验来验证结果，基于实验回答关于在更高维度和存在界面的遍历区域的MBL 的稳定性问题。
　　基于上述重点研究方向，美国国家科学院提出加强对冷原子和分子的控制研究，启动计划支持高度相关的平衡阶段和非平衡多体系统研究的政策建议。
　　1.2.1.3 量子信息科学与技术的基础
　　AMO 应用于量子计算、量子模拟、量子通信、量子网络、传感和计量等多个量子信息科学与技术子领域。量子信息处理器本质上是一个远离平衡的量子多体系统，需要极其精确地控制其初始状态和随后的时间演化动力，并且可以测量其最终量子状态。这些物理平台包含离子阱、中性原子、超导电路、电子自旋、原子核的自旋、光子等。实现可扩展量子信息处理器需要解决将量子位与环境隔离开和实现控制可编程的强相互作用与多体系统的单次读取之间的矛盾。
　　理解、探索和使用纠缠。对于由两个量子位组成的系统，通过纠缠熵可以正确地量化纠缠。在数十个离子阱、原子、超导量子位的实验中，实现了较强的纠缠，具有数百万个原子的实验也检测到了一些较弱的纠缠。未来研究方向：多个量子位的量子态的度量；将更多量子位更强地纠缠在一起，如创造N 个量子位或N00N 光子态。
　　基于离子阱的通用量子计算。在实验上，已经建立了53 个量子比特的系统，栅极保真度提高到了99.9% ，工作速度提高到了微秒量级。未来研究方向：在单个芯片上扩展数千个量子位。
　　AMO 应用于量子模拟、量子通信、量子计量等。①可编程量子模拟。在实验方面，增加相干时间和粒子数量以及扩展可用控件集，提高可编程量子模拟器（PQS）平台的质量；在理论方面，量化PQS 平台的计算能力，探索应用于下一代量子模拟器和量子计算机的PQS 模块化构建块，开发PQS 产生的量子态的新应用。②量子电动力学。使用一组微波腔模拟玻色子的分数量子霍尔效应，创建、控制和测量声音的单个量子。③晶格规范理论的模拟量子模拟。以容错方式将数字量子计算和模拟扩展到大量量子，应用量子信息科学技术解决预测化学反应、描述过渡金属配合物的激发电子态、过渡态和基态的等问题。④长距离（≥1000 千米）高效量子通信。开发高保真度和高效率的混合量子系统（基于离子阱、中性原子、颜色缺陷中心、量子点、稀土离子、超导器件）。⑤纠缠态应用于量子计量，利用压缩自旋态（squeezed spin states ）进一步改进最先进的光学原子钟等基于干涉的量子测量，在从超冷原子到固态类原子的系统中使用强关联态来实现新的传感功能和应用。

装　　帧：精装

版　　次：1

开　　本：16开

纸　　张：胶版纸