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探索丨江苏科创力量闪耀国家“十三五”科技创新成就展

来源:交汇点 编辑:周文杰 发布于 2021-11-16 13:37:55

功能集成光量子芯片、CMOS毫米波芯片和集成相控阵、“悟空”号暗物质粒子探测卫星、《中国土系志》丛书……近日,在国家“十三五”科技创新成就展上,江苏多个重大科技成果闪耀亮相,在前沿科技、基础研究、工程应用等方面,展现出江苏勇攀科技高峰、肩挑时代使命的奋力作为。

触摸科技前沿脉动,硬核成果领跑赛道

展览上,南京大学多个高精尖科技成果“组团出道”,包括“功能集成光量子芯片”“基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究”“基序表位设计用于突发传染病快速诊断POCT 和治疗抗体的研发”的相关成果,以及四项专用先进技术成果。

“功能集成光量子芯片”项目成果是在“量子调控与量子信息”重点专项资助下,围绕功能集成光子芯片及其应用这一目标,在高维量子光源、光量子芯片和移动量子通信平台系统等方面取得的系统性成果。

《科技周刊》记者注意到,2020年以来,南京大学祝世宁团队多次在量子通信上取得重大突破。此前人们的研究集中在基于光纤和卫星的量子链路,用于实现固定点间的量子链接。2020年初,祝世宁团队提出以无人机等移动平台作为量子网络的基本节点,构建移动量子通信网络的设想,成功完成了第一个基于无人机的量子纠缠分发实验。南京大学教授谢臻达介绍,项目团队开发了重量仅468克的集成化量子光源,成功搭载于自主研发的无人机平台,演示了其在白天、雨天等多气象条件下工作的能力,首次提出并实现用无人机构建“移动量子通信网络”,为移动量子通信网络的构建和发展提出了一种新的方案。

量子通信向实用迈进的一大阻碍是其传播速度。“目前,量子通信的信息传输速度还远远地低于光纤通信速度。”南京大学固体微结构物理国家重点实验室研究员王漱明对记者科普道。2020年6月,团队在高维量子纠缠光源研究中取得重大突破,成功制备了高维量子纠缠光源。研究突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制,将超构透镜与非线性光学晶体组合在一起,构成全新的超构表面量子光源系统,“我们设计并制备出10×10的超构透镜阵列,通过路径编码的方式提高维度。”王漱明说,从理论上说,如果增加透镜阵列数,纠缠光子的维度还可以进一步提高,在不久的将来,有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域。

如何高效的制备高维纠缠光子对并对其进行高精度、可编程的任意相干调控,是量子信息技术走向规模应用的一大挑战。负责这项攻关的南京大学教授马小松介绍道,他们利用微纳加工,借助硅的三阶非线性,通过对芯片上光子的路径模式进行编码,实现光子芯片上的三维量子纠缠态的产生,滤波,调控等多项功能,并且实现了量子模拟与量子精密测量等应用任务。该研究为将来实现大规模量子芯片及其在量子信息技术的普及提供了重要基础。

紫金山实验室“十三五”期间代表性原创科技成果——CMOS毫米波芯片和集成相控阵此次也参加了展览。该成果突破了CMOS器件固有瓶颈,具有超高集成度、超低成本等特点,对于支撑我国移动通信技术与产业发展意义重大。

中国工程院院士刘韵洁表示,紫金山实验室项目团队解决了硅基CMOS毫米波Ka频段相控阵芯片的核心技术瓶颈问题,在CMOS毫米波芯片成功研制后,还完成了芯片封装和测试。“每通道成本由1000元降至20元,可以预见,未来5G通信建设成本将大大降低。”同时,实验室进一步封装集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列,推动天线大规模应用。刘韵洁介绍,CMOS毫米波芯片及可拼接式大规模相控阵,频率覆盖范围24.25 - 27.5 GHz,符合3GPP 5G NR标准协议定义的400MHz/64-QAM调制信号传输格式,这意味着芯片与天线阵列能够成为消除信号盲点、建立覆盖全球每个角落的宽带通信网络的强力引擎。目前,该成果已在车载、船载和无人机宽带卫星移动通信及毫米波5G领域得到规模性应用。

筑牢基础研究根基,原始创新厚积薄发

科技创新要打牢基础研究的“地基”。“十三五”期间,我省发力基础研究,取得一系列重大原始创新成果,为科技强国贡献更多江苏力量。

在国家“十三五”科技创新成就展“基础研究”展区,中国科学院紫金山天文台主导研制的“悟空号”暗物质粒子探测卫星展板,展示了目前为止世界上最精确的TeV量区的宇宙线正负电子、质子以及氦核能谱。“‘悟空号’是我国第一颗空间天文卫星,是我国进入空间科学新时代的重要里程碑。”紫金山天文台“悟空号”团队相关负责人介绍,自2015年12月17日发射入轨以来,“悟空号”稳定工作已接近六年时间,探测器各项指标状态仍然优良,目前已累计观测到宇宙线事例接近110亿个,“随着科学数据的不断积累,‘悟空号’有望在暗物质间接探测、宇宙线能谱测量以及伽玛射线天文方面取得更多科学成果。”

万物土中生,土壤是人类生存之本,也是“绿水青山”的根。土壤类型的科学鉴定、特征属性记录和表达,一直以来是土壤利用和管理关注的基础科学问题。但是长期以来,囿于土壤分类研究的庞杂性和基础性,土系鉴定工作在我国一直处于空白状态。中国科学院南京土壤研究所张甘霖研究员主持的国家科技基础性工作专项重点项目“我国土系调查与《中国土系志》编制”,在“十三五”期间终于形成重要成果——《中国土系志》丛书,此次也参加了展出。

“土系是土壤类型的基层单元,也是属性表述和记录的最小‘个体’,土系志可以通俗理解为给土壤建立‘个人档案’。”张甘霖介绍,《中国土系志》丛书是我国首部基于定量化标准和统一分类原则,覆盖全国范围的土壤系统分类科技专著,是中国土壤分类发展史上的一个里程碑。在全国26家高校和科研单位400多人的共同努力下,我国土系调查历经十余年,建立了基于定量标准的土系4351个。《中国土系志》丛书是新时期我国土壤分类的标志性成果,也是土壤类型资料的重要组成部分,它满足当前和今后土壤资源管理和科学研究对土壤信息的需求,为农业、环境和国土规划以及土壤科学研究,提供了可靠、系统、规范的科学数据和决策依据。

助力重大工程应用,推动“双碳”目标实现

生态环境事关民生福祉,用科技赋能生态环境的现代化治理,守好“绿水青山”,助力实现“碳达峰碳中和”,江苏做出积极实践,获得一系列可复制推广应用的重大成果。

南京市水利科学院此次带着“水力式升船机关键技术及实践”等围绕保障国家水安全等重大需求的科研成果登台亮相。据介绍,水力式升船机是世界首创、中国原创的全新升船机型式。

“作为一种利用水能作为提升动力和安全保障措施的全新升船机,水力式升船机利用上下游水位差,向竖井充泄水改变平衡重浮力驱动船厢升降,不仅实现了从电力驱动到水力驱动的全新转变,还使升船机真正达到了自适应‘全平衡’。”南京市水利科学院水工所所长胡亚安介绍,水力式升船机显著提升了升船机的安全性、可靠性、适用性和经济性,已在景洪枢纽成功应用,打通了澜沧江-湄公河水运主通道,为实现澜湄合作的国家战略发挥了重要推动作用。“与电力驱动升船机方案相比,水力式升船机运行维护费可降低50%以上,500t级水力式升船机每年可减少二氧化碳排放量1130t,有利于推动实现‘碳达峰碳中和’目标。”胡亚安表示。

太湖蓝藻水华暴发的主要原因是什么?如何通过防控技术和生态修复还太湖以碧水蓝天?在“水污染与治理”重大专项主题展区,中国科学院南京地理与湖泊研究所的水专项成果吸引众多观众驻足,展品以太湖流域水污染与治理成套技术VR视频体验等形式,充分展示了地湖所在太湖蓝藻水华暴发机理、防控技术和生态修复方面的重要研究成果。

“十三五”期间,地湖所承担了国家水专项太湖流域梅梁湾项目。项目负责人介绍,针对梅梁湾滨湖城市水体河道水质断面不稳定达标、部分河段黑臭、蓝藻水华频繁入侵、河湖生境退化和生态服务功能低下等问题,项目组在以蠡湖为核心的60平方公里综合示范区,采用“控制外藻输入—河道原位控藻—河网水系调活—河口生境优化—湖泊生态修复”的技术研发思路,突破了大流量漂浮蓝藻颗粒快速清除技术等14项关键技术,集成了河口蓝藻水华综合防控与清除等5项成套技术,研制了输入性蓝藻污染河网水体的高效除藻装置。核心技术在太湖东北片区得到推广应用,显著改善了河流和湖体生境条件。

该项目获得了环保科学技术一等奖等省部级奖励5项。“成果入选国家‘十三五’科技创新成就展,对项目组来说是莫大的激励。未来我们将继续扎根基层,为水生态环境保护提供技术支撑,并不断推动科研项目成果转化,形成一批系统的、可复制、可推广的水污染防治成套技术方案,为地方水环境治理提供技术保障。”项目相关负责人说。

新华日报·交汇点记者 蔡姝雯 杨频萍 张宣

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