科技中国：领先世界的高科技领域

量子科技

2013年，习近平总书记在中国科学院考察时指出，科学家们开始调控量子世界，这将极大推动信息、能源、材料科学发展，带来新的产业革命。2016年，全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，此后率先在国际上实现星地量子通信。2017年，世界首条量子保密通信干线—“京沪干线”正式开通，并与“墨子号”连接，实现世界首次洲际量子保密通信。在量子计算领域，“九章”光量子计算原型机、“祖冲之二号”超导量子计算原型机先后实现“量子优越性”里程碑，使我国成为目前唯一在两种物理体系都实现这一关键技术突破的国家。

量子通信技术

2016年8月16日，世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空，标志着我国空间科学研究迈出了重要一步，也标志着人类对于量子物理的研究，正逐步从理论研究走向现实应用。

2017年，“墨子号”提前完成原定三大科学实验任务：星地双向量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发、星地量子隐形传态。

2017年9月29日，“墨子号”与正式开通的量子保密通信“京沪干线”成功对接，实现了洲际量子保密通信，全球首个星地一体化的广域量子通信网络初具雏形。

2018年1月，中国科学技术大学潘建伟研究团队与奥地利塞林格研究组合作，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600千米的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

2019年8月，潘建伟团队和塞林格研究组再次合作，在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。

2020年6月，潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千千米级基于纠缠的量子密钥分发。

2021年1月，潘建伟研究团队实现新的突破：成功实现4600千米星地量子密钥分发。《自然》杂志评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

2021年6月，潘建伟团队联合济南量子技术研究院基于“济青干线”现场光缆，利用国盾量子硬件平台及上海微系统所的超导探测系统，突破现场远距离高性能单光子干涉技术，分别采用两种技术方案实现500千米量级双场量子密钥分发，创下目前现场无中继光纤量子密钥分发传输最远距离纪录。

2022年5月，潘建伟团队利用“墨子号”首次实现了地球上相距1200千米两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络又迈出了重要一步。

量子计算机

作为21世纪最有前景的前沿科技之一，量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代的标志性技术。研制一台大型量子计算机需要打通量子软件、量子硬件和量子应用全流程，其整体难度不亚于登月。经过几十年不懈探索，目前只有中国和美国两个国家实现了“量子优越性”，而中国是目前世界上唯一一个在超导量子和光量子两大体系下实现“量子优越性”的国家。

2017年5月3日，中国科学院宣布世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算原型机诞生。这个“世界首台”是货真价实的“中国造”。该成果为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

2020年12月，中国科学技术大学潘建伟团队宣布成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，这一突破使我国成为全球第二个（第一个为谷歌的Sycamore ）实现“量子优越性”的国家。

2021年5月，潘建伟团队宣布研制出了62比特可编程超导量子计算原型机—“祖冲之号”，它是目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机。世界最强的超级计算机8年才能完成的任务，用“祖冲之号”量子计算机最短1.2小时就能实现。

2021年10月，“祖冲之二号”与“九章二号”几乎同时被宣布研制成功。经过研究攻关，超导量子计算研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。“祖冲之二号”比当时最快的超级计算机快1000万倍，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高100万倍，使得中国首次在超导体系达到了“量子优越性”里程碑。“九章二号”量子计算机则由76个光子升级到113个光子和144模式，其处理特定问题的速度比传统超级计算机快1亿亿亿倍，而且在编程技术上也进一步提升，在实用化方面大步向前迈进。

量子精密测量

量子精密测量旨在利用量子资源和效应，实现超越经典方法的测量精度，是原子物理、物理光学、电子技术、控制技术等多学科交叉融合的综合技术。

2021年1月，我国科学家在量子精密测量实验中同时实现3个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高13.27分贝。

2022年10月，我国科学家首次在国际上实现百千米级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19（相当于时钟在约1千亿年内的误差不超过1秒）。该工作是星地自由空间远距离光学时间频率传递领域的一项重大突破，将对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响。

超级计算机

一直以来，超级计算机作为国家在算力基础设施领域最为重要的高性能计算能力技术，在很大程度上体现了国家的综合科研实力。超算，即超级计算或高性能计算，是计算机界“皇冠上的明珠”，也被视为科技突破的“发动机”。随着应用的不断开发与完善，超算服务于科学研究、产业发展等方面，成为解决人类难题的“超强大脑”。今天，在超级计算机领域，中国处于世界领先地位。这些成果是中国科研人员使用本土技术独立完成的，因而尤其引人瞩目。

2013年6月，由国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机，峰值计算速度达到5.49亿次每秒，以比第二名美国“泰坦”快近1倍的速度，成为当时全球计算速度最快的超级计算机。“天河二号”使用的是美国英特尔公司生产的“至强”芯片。2015年4月，美国商务部发布公告：禁止向中国4家国家超级计算机中心出售高性能计算芯片。面对美国对中国的技术封锁，中国科学家没有停止对自主可控芯片的研发。“神威·太湖之光”超级计算机和“申威26010”处理器等标志性成果的出现，打破了长期以来国产超级计算机平台无“芯”可用的局面，奠定了安全、自主、可控的国产平台技术基础。

2015年12月，由国家并行云计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”超级计算机，峰值计算速度超过了10亿亿次每秒，系统全面采用国产高性能处理器，处于世界领先水平。2016年、2017年，“神威·太湖之光”获得4次世界超级计算机排行榜冠军，并获得被称为“超算领域诺贝尔奖”的戈登·贝尔奖，一举打破美日两国对这一奖项长达30年的垄断。

如今，中国在全球超级计算机500强榜单上拥有的超算数量超过其他任何国家：中国拥有186台，美国拥有123台。

虽说超级计算机能力无限，但E级超算才是未来的发展趋势。所谓E级超算，其实就是指每秒能运算百亿亿次数学运算的超级计算机，也被公认为“超算界的下一顶皇冠”。正因如此，E级超算的开发计划也成为大国科技竞争的重中之重。2016年“天河三号E级原型机”项目开始立项研究。2018年“天河三号E级原型机”正式对外亮相，目前它已在大飞机、航天器、新型发动机、新型核反应堆、电磁仿真、生物医药等诸多高端领域发挥作用。除此之外，“神威E级原型机”和“曙光E级原型机”系统也已经在2018年正式完成交付。中国在E级超算领域已经形成了三驾马车齐头并进的局面。

不断发展的超算技术，可以支撑重大科学领域的技术研究，也可推动新兴科技领域的应用创新，发挥着引领国家科技进步的关键作用。多年来，超算技术广泛应用于航天航空、电磁计算、医学影像、材料基因工程等重大科学研究和国计民生领域，为国家的基础科学研究和相关领域的技术攻关做出了重要贡献。

激光技术

激光是与核能、半导体及计算机齐名的20世纪重大科技发明，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性好的特点，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。 激光与相关技术的发展与融合，形成了激光制造、激光通信、激光检测、激光医疗等交叉技术学科，为人类认识世界和改造世界提供了一大批新工具，孕育和发展出多种类型的激光产业和系列装备，改变和重构了高端制造、信息通信、医疗诊断治疗和国防安全等多个领域。目前，我国激光研发领域五大核心技术领先于世界其他国家，激光武器技术称霸全球。我国激光产业也已经迈入国际领先行列，在关键材料、元件、技术、整机及专利等方面已具备自主可控发展产业的条件。

2013年9月，中国科学院宣布国家重大科研装备“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”正式通过验收，我国也因此成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。

2016年，上海超强超短激光实验装置成功实现了5拍瓦激光脉冲输出，达到国际领先水平；2017年10月，该装置成功实现了10拍瓦（即1亿亿瓦）激光放大输出，刷新了之前创造的激光脉冲输出功率纪录；2019年12月，该装置获得激光中心波长为800纳米、平均峰值功率11.7拍瓦（最高峰值功率12.9拍瓦）的结果，再次打破世界纪录。超强超短激光被认为是人类已知的最亮光源，能在实验室里创造出之前只有在核爆中心、恒星内部、黑洞边缘才能找到的极端物理条件。10拍瓦激光系统可以为人们提供前所未有的超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度等综合性极端物理条件。

在量子芯片中，跟超导比特耦合的声子谐振器，是连接转换光电信号和执行量子逻辑操作的关键部件。这类相干声子器件，在量子信息、纳米力学与热电材料、超灵敏传感及无损检测等诸多领域具有广泛的应用价值。不过，这一关键部件的制造，存在着一个技术“困扰”，即信号质量和计算精度易受环境噪声的干扰甚至破坏。2018年，湖南师范大学景辉教授提出了一种单向量子声子激光技术，既能实现信号高保真度的定向放大，又可明显抑制反向噪声对芯片功能的干扰或损害。该技术方案不依赖材料非线性，方便拓展到集成阵列电路，填补了国际上单向声子激光研究的空白，为量子计算、单向通信、隐身探测、热流控制等的实际应用提供了一种通用方法。

特高压输电技术

全球最先进的输电技术，毋庸置疑就是特高压，中国是全球唯一全面掌握特高压输电技术的国家。在全球特高压领域，中国的标准就是世界唯一的标准。

“特高压”指的是1000千伏以上交流电的电压等级。特高压技术主要有几个特点：损耗低、运输距离长、效率高。我国地缘辽阔，想要满足全国范围的电力需求，必然要有较为强大的技术，确保电力能进入千家万户。在特高压电技术发明之前，我国电量大部分是靠煤炭这一非清洁能源燃烧发出的，70%的煤炭主要分布于我国的中西部地区，尤其集中于山西、陕西、内蒙古、新疆各地。新型环保能源风力发电主要集中在西北地区，80%的水力发电则集中在云南、四川、西藏等西南地区。我国三分之二的电力需求恰恰是来自东部各省。发电基地距离核心用电地区距离长达数千千米，用电难、用电贵成为制约我国东部居民用电、工业用电的瓶颈。实施大规模“西电东送”“北电南供”是我国能源发展的重大战略。特高压输电技术让我国用电紧张的地区得到极大缓解，这个发展局面也推动了我国经济建设的步伐。