一月之间战略领域科技连获突破 中国科技创新进入爆发期
21世纪经济报道
2017-06-26

在这个炎热的6月,从量子通信、可燃冰开采、深地探测到智能轨道列车,中国在多个战略领域接连取得科技突破,印证着中国科技创新正进入爆发期。长期处于跟随阶段的中国科技开始在掌握原创性核心技术方面取得进展,逐渐从“跟跑者”向“领跑者”转变,由此将引爆价值数以万亿计的新兴产业和庞大市场。

量子通信千公里跨越:向量子互联网进军

中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士6月16日宣布:中国率先实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,直接把此前的百公里级世界纪录提高了一个数量级。

中国去年8月16日在酒泉成功发射了“墨子号”量子科学实验卫星,实现了卫星和地面之间的量子通信。

量子是构成物质的最基本单元,也是能量的基本携带者,人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子,皆是其表现形态之一。量子通信,指利用光子的量子状态加载并传输信息。

从原理上来说,由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆,通过量子纠缠所建立起来的量子信道可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而能保证用其加密的内容不可破译。因此,量子通信是迄今为止唯一被严格证明无条件安全的通信方式,被誉为信息安全“终极武器”,在金融、军事、政务等方面都有应用。美国、日本都瞄准这一前沿领域启动了相关计划。

此次新发现中涉及到的量子纠缠,意思是两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”,无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会改变。这尤其适用于保密通信。但受种种因素限制,此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?这些基本物理问题的验证有赖于上千公里甚至更远距离的量子纠缠分发。

而这次潘建伟团队在世界上第一次实现了千公里量级的量子纠缠。一方来自青海德令哈站,另一方远在云南丽江站。尽管相距千里之遥,这对从未谋面的“陌生人”——粒子,上演了一场举世震惊的“心心相印”大戏。

此番量子纠缠成功跨越千里,将量子通信实用化进程又向前推进了一大步,未来将形成天地一体的全球化量子通信基础设施,形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统,构建基于量子通信安全保障的未来互联网,即“量子互联网”。

运用所发展的量子纠缠分发技术,潘建伟的研究团队正在开展实验创建密钥,以实现天地间的信息传输。按照计划,今后我国还将陆续发射多颗量子卫星,力争在2030年前后率先建成全球首个天地一体化的实用性广域量子通信网络。

潘建伟表示,随着中国科技的迅猛发展,量子通信有望在“十三五”时期实现初步应用,但绝对安全的量子通信规模化应用可能还得需要10多年甚至更长时间。

深地探测核心突破:我国矿产资源量可望翻番

 

6月19日,由中科院地质与地球物理研究所承担的国家重大科研装备研制项目“深部资源探测核心装备研发”顺利通过验收,标志着我国在深部资源探测装备技术领域有了重大突破性进展,多项技术指标达到国际水平,部分装备打破了国外技术垄断,为我国资源能源安全保障体系提供了强有力的技术支撑。

我国大宗矿产资源储量严重不足,矿产资源探明程度仅为1/3,依赖进口已成为影响我国经济发展和国家安全的重大问题。那么未探明的“2/3”在哪里?在陆地下500-4000米,乃至更深的地方!从理论上讲,地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下 1 万米,目前世界先进水平勘探开采深度已达 2500 米至 4000 米,而我国大多小于 500 米。据专家预测,如果勘查开发深度达到 2000 米,我国固体矿产资源的供给量可在现有基础上翻一番。

为此,“向地下深部要资源”成了我国矿产资源开发的战略选择。这其中的关键所在是“地球物理探测技术”,用于“透视和照明”地球内部、“攻深探盲”。所谓“攻深”是指勘探埋深500—4000米的矿产资源;“探盲”则是指寻找沙漠、戈壁、植被等覆盖区地下矿产资源。

但长期以来我国大型地球物理探测装备和核心软件几乎全部依赖进口。这种落后现状严重制约着我国矿产资源勘探的发展,也直接制约着我国参与国际资源竞争的能力。

中科院地质与地球物理所研究队经过四年攻关,终于在深部资源探测核心装备研发领域取得突破。深部资源探测核心装备的自主研制成功,全面提升了我国深部地球物理探测能力与技术水平, 为我国“地下4000米地球透明计划”奠定技术基础。

可燃冰42天试采:领跑未来能源竞赛

截至6月21日14时52分,南海神狐海域天然气水合物已连续试采达42天,累计产量超过23.5万立方米,再创新纪录。

5月10日起,中国地质调查局从我国南海神狐海域水深1266米海底以下203米~277米的天然气水合物矿藏开采出天然气,并试气点火,截至5月18日,最高产量达3.5万立方米/天,平均日产超过1.6万立方米,天然气产量稳定,甲烷含量最高达99.5%,圆满完成预定目标。

可燃冰是分布于深海海底以下数百米至1000多米的沉积层内的天然水合物,具有极强的储载气体能力,一个单位体积的天然气水合物可储载100~200倍于该体积的气体量。其甲烷含量占80%~99.9%,燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多,而且储量丰富,全球储量足够人类使用1000年,因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。

各国在20世纪90年代和21世纪初制定了可燃冰调查研究和开发计划,美国1997年启动的计划是准备投入10亿美元,原计划在2015年实现商业开采。日本则在1995年启动投入6亿美元的计划,希望在2018年实现商业开采。德国在2001年投入2.3亿欧元用于相关研究。中国从1999年起开始对海洋可燃冰开展实质性的调查和研究。

此次南海神狐海域的成功试开采,标志着中国在世界上首次成功实现可燃冰试开采,同时掌握了八项核心技术,自主研制了可燃冰的海底冷泉水体回声反射探测系统、分布式数字垂直缆系统、集中式数字垂直缆系统等六项装备,实现了可燃冰勘查开发理论、技术、工程和装备的自主创新,在可燃冰开发探索中跃居世界前列。

智轨列车惊艳亮相:开启万亿级大市场

6月22日,全球首列智能轨道列车在中车株洲所厂区内首次亮相,并进行测试运行。这款由中车株洲所自主研制,全球首列采用虚拟轨道跟随控制技术的列车,标志着世界智能轨道交通取得了新突破。

目前,城市公共交通系统主要构成为地铁、轻轨、有轨电车、公交车等。地铁和轻轨虽运力强,但建设成本巨大。目前我国地铁造价约为每公里4亿-7亿元。如此高昂的成本,给地方政府带来极大的财政压力,中小城市更是望而却步。有轨电车也不便宜,综合建设成本约为每公里1.5亿~2亿元。同时,有轨电车需要专门的电力系统和轨道配合设计,维护成本高。当前,我国有轨电车总规划线路长达6000公里,实际运行线路却只有200余公里。

而此次亮相的虚拟轨道列车,则融合了有轨电车和公共汽车的优势。它天上没有电线、地上没有轨道,而通过车载各类传感器识别路面虚拟轨道线路,将运行信息传送至列车中央控制单元,根据后者的指令,能够精准控制列车行驶在既定“虚拟轨迹”上,实现智能运行。

虽然没有轨道,但智轨列车的安全性能不减。如果车辆在未授权下偏离虚拟轨道,车辆将通过技术手段限制车辆的运行,如封锁动力、紧急制动等。 列车采用无人驾驶技术,可以智能地感知环境,自动分析车辆行驶状态,替代人工操作,有效减轻驾驶员疲劳,提高行车安全性。

比起普通公交车,智轨列车拐弯还要灵活,且不需要减速。在转弯半径15米的弯道上运行时,12米大巴的通道宽度为5.8米,而智轨列车为3.83米。在弯道遇到需要倒车时,公交车司机只能小心翼翼地倒车。智轨列车却采用与高铁列车一样的双车头设计,司机直接走到反方向的车头就可将列车开出去。这意味着,凡是公交车可以通过的地方,智轨列车都可以运行。

这款智轨列车采用3节编组时,可载客超过300人,5节编组时可载客超过500人,有效解决了普通公交车载客量小的缺陷。其最高时速为70公里,选用动力电池供电,使用快充钛酸锂电池,单次充电只需要10分钟,可满载续航25公里。

依靠虚拟轨道跟随技术,智轨列车不需要像传统电车那样铺设轨道和建设供电网,只需简单的道路改造就能投入使用,整体线路的投资约为现代有轨电车的1/5。也就是说,与现代有轨电车相比,建设一条10公里的线路,智轨至少能节省10亿元以上。

业内人士认为,以智轨列车为核心运载工具的智能轨道快运系统具有建设周期短、基础设施投资小、城市适应性高、综合运力强等优势特点,为全球城市提供了创新的、兼顾运能与投资的中运量轨道交通系统解决方案。对于中小城市解决城镇化进程中的交通拥堵问题具有多重优势,市场潜力巨大。以智轨列车的建设成本,按我国现有的6000公里有轨电车规划线路计算,仅在国内就将是一个超万亿元的市场。

中国科技巨变:从“跟跑者”到“领跑者”

中国战略领域科技研发近期连获多项突破,正在印证中国科技创新正在进入爆发期的判断。资料显示,到2016年,中国国内居民发明专利申请数占全球38%,居世界第一,是美国的1.9倍;国际科技期刊论文数占全球比重为21%,居世界第一;中国研发投入占全球比重达到17.6%,已经接近美国。

近年来,中国已经在多个重要领域和方向上跻身世界前列,在量子通信、中微子振荡、高温铁基超导、载人航天、探月工程、深海探测等都取得突破性成果,处于领跑位置。

英国《自然》杂志在2016年的一篇文章中在评价中国科学家在量子通信领域取得的成就时认为,这表明长期处于跟随阶段的中国科技,开始在掌握原创性的核心技术领域取得进展,并开始了从“跟跑者”向“领跑者”的身份转变。