如何突破欧美科技封锁？三个方向是关键

从国运的“芯片对决”到每个人日夜不离手的手机和平板电脑，再到遥远太空的空间站，再到餐厅送餐的机器人，科技成为各国每个人都密切关注的焦点。我们不禁要问，科技从何而来？如何一步步成为决定人类历史进程的关键变量？科技的下一个出路在哪里？

人类历史上有很多技术突破，但归根结底还是遵循幂律分布——“关键少数”技术主导着社会变革。

极少数关键技术创新产生了超越其它技术的最大价值。这些关键核心技术的功效是不可替代的。它们首先具有原创性、领先性、关键性和突破性的特点，最终产生基本性、革命性和时代性。在关键核心技术的指导下，其他技术创新如潮流般涌现，并不断结合和进化，最终创造了巨大的生产力，普遍促进了经济和社会的发展。

要打造中国科技创新版图，把握能源、物质、信息三个科技发展的“最基本命题”尤为重要，这是把握原创、引领科技攻关的关键方向，占领科技创新的前沿和制高点。

一 能量突破：可控核聚变

人类痴迷于持续的绿色能源。目前，核电厂依靠核裂变反应来获取能量，但裂变反应会产生大量的核废料，如果不小心处理这些核废料，会造成严重的放射性污染。特别是随着核电的发展，核废料会越积越多，到目前为止，还没有找到永久的方法来处理这些废物。

科学家们已经尝试利用核聚变反应来获得核能，以克服核废料难以处理这一棘手问题。核聚变就是几个轻核(如氢)汇聚成一个重核，在这个过程中会释放出远远大于裂变反应能量的能量。科学家发现，氢占太阳的70%以上。如果太阳能真的是由核反应提供的，那么这种核反应很可能是氢核聚变。一九三八年，美国科学家贝特证实，失去电子的氢核会在太阳的高温下结合成双质子。但是这个核不稳定，其中一个质子会立即释放出一个正电子，变成中子，使双质子核成为氢的同位素。在高温动能的驱动下，两个核又会产生一个氦核，释放出巨大的能量。这一反应不但能量更大，而且反应的生成物是 稳定性元素，无核废料，因此不存在放射性污染。

可控核聚变一旦实现，人类将完全摆脱能源的束缚。

人类将实现能源自由：海洋中有大量的聚变燃料。据计算，从一桶海水中提取的能量相当于300桶汽油；虽然在自然界中不存在，但它可以通过地球中所含的锂元素进行转换。此外，科学家们还发现了许多替代品，如氢硼聚变 变化等，都有望成为可控核聚变燃料。

人类将获得能源安全:浓缩放射性材料(如铀、铀等。)不用于制造可控核聚变堆中的核武器。即使约束失败，不稳定的等离子体也会在很短的时间内冷却，不会发生核灾难。

清洁能源的使用：可控核聚变的产物主要是中子和惰性元素氦，不会产生二氧化碳引起的温室效应，也不会产生对环境影响很大的放射性废物。

在过去的几十年里，尽管科学家在这方面取得了很大的进步，但他们仍然没有达到足够的商业发电水平，甚至没有实现能量输出大于输入能量的能量增益。由于没有一种器皿能承受超过1亿摄氏度的高温，而且在如此高的温度下，它显示出电子和原子核分离的混合状态，即等离子体状态。在等离子体态下 物质内部会产生复杂的磁场和多变性，使科学家无法准确预测其状态，因此很难在人类设计的笼子里约束这样一只“洪水猛兽”，达到聚变条件。

日前，劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置完成了人类历史上第一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3.15兆焦耳聚变能量输出(约为电动汽车行驶10公里所需的能量)，实现了“净能量增益”。从科学原理和工程技术上验证了核聚变能源的未来，这是人类能源史上的一大进步。 可行性，打开了人类进入绿色能源时代的大门。

人类历史上第一次激光可控核聚变点火是科学研究领域的一大进展，证明了可控核聚变在实验室的可行性，为聚变能源的实际应用奠定了坚实的基础——从单纯追求点火到探索更高能量增益的聚变方案，最终从应用的角度实现了聚变发电，获得了几乎取之不尽、用之不竭的终极能源。但是，我们国家的惯性约 束聚变研究起步较晚。近年来，中国的相关研究蓬勃发展，间接驱动计划已经在国内大型激光设备上进行了理论验证，大量的聚变研究已经完成了基础物理分解试验，研究人员对惯性约束聚变的认知达到了世界领先水平。

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提出了一项新的聚变打火方案，具有更好的强度和更高的增益。就目前而言，要建成商业核聚变电站，实现真正意义上的聚变能源应用还需要几十年的努力。在当今可控核聚变开启新篇章的背景下，中国激光聚变研究人员不仅要提高更强大的激光聚变打火方案，探索聚变能源在工程中的实际应用，还要学会研究和理解复杂聚变系统的物理真实性，共同努力实现激光可控核聚变领域的“弯道超越”，为实现人类的“能源自由”做出中国贡献。

二 物质突破：把目光转向宇宙

苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫在1964年指出，文明可以根据其可用能量的总量进行分类。根据他的定义，0级文明只能利用它所在行星的有限能量。根据美国科学家和天体物理学家卡尔·萨根的计算，目前人类的卡尔达舍夫指数约为0.75。一级文明，“可以利用行星上的所有能量来源，包括行星收到的宿主行星的所有光能，完全可以控制行星”。

可控核聚变的实现有望为我们获得一级卡尔达舍夫指数的门票。从那以后，人类不仅可以控制行星上的所有能源资源，还可以人为控制行星本身的活动，如地质变化、大气变化、生物圈变化、海洋活动等。文明水平的提高也会给人类开发和利用外太空的物质资源的机会。

美国科学家哈勃在20世纪20年代发现了红移现象，表明宇宙正在膨胀。随后，宇宙进一步发现在加速膨胀。关于宇宙加速膨胀的主要原因，主流观点认为宇宙中可以观察到的物质 此外，还有暗物质，暗能量。只有4.9%的物质在宇宙中可见，而暗物质占26.8%，暗能占68.3%。暗物质不会发光，也不会发光。 电磁波，从未被直接“看见”过。暗物质和暗能量被称为21世纪物理学的两个新“乌云”，是目前研究的热点。世界科技大国正在积极布局这一领域的研究和测试。

检测暗物质的方法主要有三种:一种是对撞机的检测，比如欧洲核子中心的大型强子对撞机；二是地下直接检测，比如中国正在四川锦屏山地下实验室进行的相关实验；第三，间接检测主要在外部空间进行。通过收集和分析高能宇宙射线颗粒和伽马射线光子，我们可以找到暗物质存在的证据。

2022年底，《科学》杂志评选的2022年十大科学突破公布，美国航空航天局詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，缩写为韦布望眼镜)获得冠军。韦布望眼镜作为人类历史上最大的空间望眼镜，不仅摆脱了地球大气的困扰，还配备了一套完整的红外波段观测设备，从而窥探宇宙遥远的过去，观测130亿光年以外的星体(即130亿年前的宇宙)，这是著名的哈勃空间望远镜无法企及的。镜面规格的提高也大大提高了望远镜的分辨率，促使韦布望眼镜第一批图像细节满满。对同一观察目标，韦布望眼镜所展示的细节非常丰富，远远超过了所有的前辈。韦布望眼镜除了揭示宇宙极早的历史外，还可以搜索地外行星。 2022年9月，韦布望眼镜发现了一颗具有7倍木星质量的巨大系外行星HIP，以分析地外行星的大气组成，为在宇宙中寻找人类的合作伙伴做出突出贡献。 65426b，并从四个不同的波段绘制图像，揭示了许多与其所在恒星系有关的秘密。韦布望眼镜在2022年11月首次发现二氧化碳存在于系外行星WASP-39b大气中。 根据-这个项目对于其他望眼镜来说，难如登天的任务在韦布望眼镜这里只能算是小菜一碟。数据显示，这颗土星质量的行星围绕着距离地球700光年的行星运动。空气中有水蒸气、钠、钾、二氧化碳甚至一些云。

在外太空中，不仅有人类已知的物质，而且有清晰的利用价值，很可能有我们还没有知道的物质，就像石油对美索不达米亚的古代人类一样。举例来说，在火星和木星之间的小行星带上，有一个16Psyche的行星，含有大量的矿物质。现在的研究表明，在经历了无数次陨石轰炸之后，16Psyche是古代一颗行星的星核， 它表面的岩层被分离出来，露出里面几乎是纯金属的一部分。它的主要成分是人类工业发展所必需的铁和镍，同时也聚集了超过50亿吨的贵金属，如黄金和铂金。

三 资料突破：量子通信

人类的通信历史在不断演变，通信方式和媒体也在发生变化。通信模式从两个罐头盒和一根绳子发展到鸡毛信、电报、拨号盘、按键电话、手机、短信、微信。当然，今天，全新的“量子通信”已经迎来。通信媒体从固体、气体、电缆、光纤到今天的“量子”。

组成物质的基本粒子，如电子、光子等，统称为量子，它们是构成物质的最基本模块，不能再分割。起源于20世纪初的量子力学概率描述物理变化，看起来确实有些“玄”：微尺度上的颗粒“可能”还在这里，“可能”向两个方向移动；颗粒也可以互相纠缠——通过某种方式即时远程感知和影响对方。量子力学理论经过爱因斯坦、玻尔、海森伯、薛定谔等科学巨头的逐步完善，初步形成并持续发展。这种看似“不合理”的理论得到了越来越多的实验支持，催生了许多重大发明——核弹、激光、晶体管、磁共振、全球卫星定位系统等。在2016年，欧盟宣布将量子技术作为一项新的旗舰研究项目，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，代表着“第二次量子革命”的兴起，其中量子通信具有代表性。量子通信主要解决通信安全问题。传统的信息加密算法依赖于数学算法的复杂性，但是随着计算能力的迅速提高，再复杂的加密技术也有可能被破解。量子通信以“量子密钥”为基础，从客观物理规律这一基础出发，实现“绝对安全”。

主要有两种方式进行量子通信。一种是利用量子的不可复制性生成量子密码，这是一种二进制的形式，可以加密经典的二进制数据。这种通信方式被称为“量子密钥分发”。二是使用量子纠缠。 量子比特是最基本的单位来传递量子信息。两个纠缠的颗粒A和B，不管它们分开多远，我们都会把其中一个颗粒分开。（A）和 携带想要传输的量子比特颗粒（C）让我们一起测量一下。C的量子比特立即消失，但B立即携带了C之前携带的量子比特。我们称这个过程为“量子隐形传态”。根据量子力学的“不确定性原理”，在观察纠缠状态的两个颗粒之前，它们的状态是不确定的。如果观察其中一个颗粒，在确认其状态的同时(例如 旋转)，另一个粒子的状态会在瞬间得到确定(下旋)。量子力学的“不确定性原理”约束了窃听行为本身。只要有人试图测量量子，量子的状态就会自动改变，窃听行为就会被“举报”；此外，量子的不可克隆性决定了窃听者无法准确复制量子信息。所以，用量子做成“钥匙”来传递信息，窃听必然会被发现，而且加密内容不可避免。 破解。量子通信是当前各国关注的焦点。诺贝尔物理学奖于2022年10月4日被授予三位在量子信息领域做出创造性贡献的科学家。2016年，中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。该卫星可以同时建造两个距离地面千公里的光学站。 立量子光链接，完成了世界上第一颗卫星与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”的成功，激发了世界上很多国家对空间量子通信计划的热情。现在，无论是在“墨子号”还是后续的低轨小卫星上，我们都保持着国际领先地位。未来，我们有望通过太空中低轨和高轨卫星组网，构建具有国际推动地位的战略性新兴产业和下一代国际信息安全生态系统，实现天地一体化的广域量子通信保密系统，与经典通信网络无缝连接。

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