我們要建成的科技強國，必須具備“強大的基礎研究和原始創(chuàng )新能力”“強大的關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)能力”“強大的國際影響力和引領(lǐng)力”“強大的高水平科技人才培養和集聚能力”“強大的科技治理體系和治理能力”等基本要素。國家重大科技基礎設施（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大科學(xué)設施”）是科學(xué)探索和技術(shù)創(chuàng )新的大國重器，是推動(dòng)科技賦能未來(lái)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)策源地。“超高靈敏極弱磁場(chǎng)和慣性測量裝置”大科學(xué)設施（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“極弱磁大科學(xué)設施”）追求極端弱磁環(huán)境和測量記錄，布局中試及技術(shù)創(chuàng )新平臺，開(kāi)展成果轉化，培育未來(lái)產(chǎn)業(yè)，開(kāi)辟量子精密測量與傳感新賽道，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，加快實(shí)現科技自立自強。

一、深刻認識建設新型大科學(xué)設施的重大意義

科技興則民族興，科技強則國家強。強大的科技實(shí)力和創(chuàng )新能力是科技強國的必要支撐，是推進(jìn)綜合國力整體躍升、增進(jìn)人類(lèi)福祉、推動(dòng)全球發(fā)展的動(dòng)力之源。新時(shí)代新征程，大國博弈的戰場(chǎng)聚焦前沿科技，擁有強大的基礎研究和原始創(chuàng )新能力，持續產(chǎn)出重大原創(chuàng )性、顛覆性科技成果，將引領(lǐng)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，為建設世界強國奠定科技基礎。

大科學(xué)設施是為探索未知世界、發(fā)現自然規律、引領(lǐng)技術(shù)變革提供極限研究手段的大型復雜科學(xué)技術(shù)研究裝置或系統。作為國家創(chuàng )新體系的重要組成部分，大科學(xué)設施是解決重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問(wèn)題、支撐關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)、保障經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展和國家安全的物質(zhì)技術(shù)基礎，是搶占全球科技制高點(diǎn)、構筑競爭新優(yōu)勢、開(kāi)辟科技新賽道的戰略必爭之地。

技術(shù)創(chuàng )新源于科學(xué)發(fā)現，形成產(chǎn)業(yè)推動(dòng)社會(huì )進(jìn)步。科學(xué)發(fā)現是認識世界、揭示自然界和人類(lèi)社會(huì )未知事物的過(guò)程，支撐著(zhù)原始技術(shù)創(chuàng )新。原始創(chuàng )新是指在基礎研究中取得的具有原創(chuàng )性、突破性、顛覆性和引領(lǐng)性的重大創(chuàng )新成果。在原始創(chuàng )新基礎上形成的技術(shù)創(chuàng )新可以改造世界、改變人類(lèi)的生存和生活方式，進(jìn)而形成產(chǎn)業(yè)，服務(wù)人類(lèi)社會(huì )與自然的和諧發(fā)展。比如，倫琴發(fā)現了X射線(xiàn)，拍攝了第一張人體X光片，后來(lái)人們據此研發(fā)了CT醫療設備，帶來(lái)了高端醫療裝備產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)了醫學(xué)的進(jìn)步和人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展。

科學(xué)發(fā)現源于觀(guān)察思考，極端環(huán)境創(chuàng )造特殊條件。由于人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，科學(xué)發(fā)現不再像牛頓觀(guān)察蘋(píng)果落地發(fā)現萬(wàn)有引力一樣源于日常，它需要借助更多的工具和方法。比如，胡克利用顯微鏡觀(guān)察到細胞，推動(dòng)了生物學(xué)研究的跨越式發(fā)展。進(jìn)入21世紀，科學(xué)家進(jìn)行新的科學(xué)發(fā)現需要依靠極端的手段和特殊的條件。比如，通過(guò)巨大的射電望遠鏡發(fā)現了肉眼無(wú)法觀(guān)測到的天文星體；太空空間站為開(kāi)展微重力環(huán)境下的科學(xué)研究提供了極端環(huán)境和條件。

建設大科學(xué)設施，帶動(dòng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，國內已建成和在建的大科學(xué)設施已達77個(gè)，其中許多既能開(kāi)展基礎科學(xué)研究也能帶來(lái)新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)。重離子加速器帶來(lái)了重離子靶向治療儀；可控核聚變裝置推動(dòng)了聚變能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；同步輻射光源為微電子、集成電路產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了多項技術(shù)突破?；浉郯拇鬄硡^、上海、北京、合肥四大綜合性國家科學(xué)中心擁有全國80%以上的國家實(shí)驗室；粵港澳、長(cháng)三角、京津冀聚集了全國1/3的國家級高新區，擁有大量高新技術(shù)企業(yè)。國內地區的經(jīng)濟發(fā)達程度側面印證了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，建設大科學(xué)設施，將有效推動(dòng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國之重器打造創(chuàng )新平臺，強磁研究帶來(lái)革命技術(shù)。“工欲善其事，必先利其器”，被稱(chēng)為“大科學(xué)裝置”的大科學(xué)設施，正是推動(dòng)重大科技創(chuàng )新的利器。我國的天眼、空間站等大科學(xué)設施是搶占全球科技制高點(diǎn)、構筑競爭新優(yōu)勢的國之重器和平臺。在磁場(chǎng)測量領(lǐng)域，相較于強度在幾萬(wàn)nT（10-9）的地磁場(chǎng)，人類(lèi)已經(jīng)研制出了幾十乃至上百T的強磁場(chǎng)大科學(xué)設施。強磁場(chǎng)的研究帶來(lái)核磁共振等革命性技術(shù)，先后6次獲得諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎、生物學(xué)獎及醫學(xué)獎，為醫學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)應用及人類(lèi)生命健康作出巨大貢獻。

極弱磁場(chǎng)屏蔽地磁干擾，開(kāi)展醫學(xué)應用探索研究。相較于強磁領(lǐng)域的研究，工信部在杭州建設的北航極弱磁大科學(xué)設施是國際首創(chuàng )，將打造世界上性能最高、空間最大的“零磁”空間，提供aT（10-18）級的極端測量手段。以超高靈敏極弱磁測量技術(shù)為基礎，在屏蔽地磁場(chǎng)的環(huán)境中，檢測人體自身發(fā)出的磁信號，研發(fā)人體功能信息成像技術(shù)并創(chuàng )新提出“零磁醫學(xué)”，與核磁共振技術(shù)互補，以“結構+功能”共同反映人體健康狀態(tài)。

二、堅持“四個(gè)面向”，建設極弱磁新型大科學(xué)設施

持續攻關(guān)研究16年，打造原創(chuàng )技術(shù)策源地。2008年以來(lái)，科研團隊始終堅持“面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康”的戰略導向，不負歷史重托，開(kāi)展極弱磁基礎理論和應用研究。極弱磁新型大科學(xué)設施以應用需求為支撐，持續引領(lǐng)超高靈敏極弱磁場(chǎng)及慣性測量等前瞻性量子精密測量與傳感技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展，對于加快提升原始創(chuàng )新能力和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)能力，具有重大意義。

堅持“陀螺精神”，持續攻堅克難。北京航空航天大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北航”）瞄準國防領(lǐng)域的原子陀螺及磁強計需求，充分發(fā)揚“空天報國、敢為人先”的北航精神，2008年率先開(kāi)展基于原子自旋SERF效應的極弱磁場(chǎng)和慣性測量研究。歷經(jīng)12年技術(shù)攻關(guān)，北航在磁場(chǎng)測量及慣性測量領(lǐng)域均已超過(guò)國外公開(kāi)發(fā)表的最高指標。在此基礎上，北航于2020年開(kāi)始申報極弱磁場(chǎng)大科學(xué)設施。秉持方向堅定、永不停轉的“陀螺精神”，北航一方面持續深耕，打破原有記錄，在測量精度上不斷提高，持續保持國際領(lǐng)先水平；另一方面開(kāi)展芯片化傳感器研究，在保證精度的同時(shí)大幅縮小設備體積，為產(chǎn)業(yè)化應用奠定基礎。

面向“科技前沿”，提供驗證手段。極弱磁大科學(xué)設施的核心區將利用三層磁屏蔽及磁補償技術(shù)，打造地球上磁場(chǎng)最弱的“零磁空間”。面向基礎物理學(xué)，為EDM、CPT、第五種力、暗物質(zhì)等基礎物理學(xué)命題提供有效驗證手段，揭示宇宙起源及構成等“諾獎級”命題；面向零磁生命科學(xué)，揭示生命系統低能耗、高效率、高精準信息傳遞、物質(zhì)合成、能量轉化的機理。極弱磁大科學(xué)設施將建設成國際開(kāi)放的科學(xué)殿堂，為人類(lèi)探索未知世界和科學(xué)研究提供平臺。

面向“經(jīng)濟戰場(chǎng)”，擴大應用領(lǐng)域。面向零磁生物學(xué)，開(kāi)展“零磁”環(huán)境下動(dòng)植物的活動(dòng)及生命特征研究；面向零磁化學(xué)、材料學(xué)，進(jìn)行化學(xué)反應及材料性能分析研究。利用超高靈敏極弱磁測量技術(shù)開(kāi)展成果轉化，研制芯片化原子磁強計，研發(fā)各類(lèi)儀器設備及傳感器，在科研、醫療、地質(zhì)、能源電力等多個(gè)領(lǐng)域孵化科技型創(chuàng )新企業(yè)，打造環(huán)大科學(xué)裝置創(chuàng )新生態(tài)圈，開(kāi)辟量子精密磁場(chǎng)測量與傳感未來(lái)產(chǎn)業(yè)新賽道，打造科技創(chuàng )新策源地。

面向“重大需求”，服務(wù)國家戰略。立足國防軍工需求，極弱磁測量技術(shù)可用于探測海洋中目標產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)異常，提升我國海洋反潛能力，維護國家海洋安全；慣性測量技術(shù)可用于戰略武器的全自主和高精度定位導航，提升威懾力量。立足國家現代先進(jìn)測量體系建設需求，支撐新一代更高精度和靈敏度（亞fT級）的國家計量基準建設，開(kāi)展國際比對。面向國家重大需求，搶占戰略制高點(diǎn)，掌握全球科技競爭先機。

面向“人民健康”，研發(fā)醫療裝備。基于磁屏蔽技術(shù)和芯片化量子傳感器研發(fā)的零磁醫療裝備是極弱磁大科學(xué)設施“沿途下蛋”誕生的第一個(gè)技術(shù)創(chuàng )新轉化成果。這一創(chuàng )新技術(shù)利用磁屏蔽桶產(chǎn)生的弱磁環(huán)境和陣列式原子磁強計檢測的人體極弱磁信號，為人體功能信息的檢測提供了新手段。這一創(chuàng )新技術(shù)具備高精度、快速、無(wú)損無(wú)創(chuàng )的優(yōu)勢特點(diǎn)，在心、腦、腫瘤、中醫等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，將為醫學(xué)創(chuàng )新和人類(lèi)生命健康產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的技術(shù)變革。

三、抓住量子科技發(fā)展新機遇，開(kāi)展技術(shù)創(chuàng )新與成果轉化

量子科技是我國重點(diǎn)發(fā)展的未來(lái)產(chǎn)業(yè),也是大國博弈的重要領(lǐng)域。黨和國家高度重視量子科技發(fā)展。面向國家戰略需求，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，我們要抓住機遇，依托國家實(shí)驗室及大科學(xué)設施進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，促進(jìn)基礎研究成果轉化，搶占未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，助力中國量子科技研究和應用快速發(fā)展。

量子技術(shù)具備三大方向及發(fā)展趨勢。量子技術(shù)主要分為量子計算、量子通信及量子精密測量三大方向，均基本遵循“機電→光學(xué)→量子”的發(fā)展歷程。以廣泛應用的量子精密測量與傳感技術(shù)為例，該技術(shù)由最早基于電磁感應定律的機電類(lèi)傳感器發(fā)展成為基于光學(xué)、光電轉換效應的光電類(lèi)傳感器，再發(fā)展成為基于光、磁與原子相互作用，采用新原理、新效應的量子類(lèi)傳感器，每一類(lèi)新技術(shù)的出現都帶來(lái)了性能的巨大提升。

七個(gè)基本物理量計量基準量子化。2018年，第26屆國際計量大會(huì )通過(guò)決議，溫度、物質(zhì)的量、光強、質(zhì)量、長(cháng)度、時(shí)間、安培七個(gè)基本物理量計量基準（最高精度測量）已全部實(shí)現量子化，并于2019年5月20日在第20個(gè)“世界計量日”正式生效。量子精密測量作為基本物理量標定基準，先天具有高精度潛力，應用前景十分廣闊。

精密測量與傳感技術(shù)率先產(chǎn)業(yè)化。相較于單量子操控（量子糾纏）技術(shù)，量子精密測量與傳感科學(xué)儀器主要基于系綜量子操控，更容易轉化為現實(shí)的新質(zhì)生產(chǎn)力，實(shí)現產(chǎn)業(yè)應用和產(chǎn)業(yè)化。用于時(shí)間測量的原子鐘，在時(shí)間基準、授時(shí)、定位導航、時(shí)間同步等方面應用廣泛；用于重力測量的原子重力儀，在探礦、重力匹配導航等領(lǐng)域作用巨大；原子陀螺儀的發(fā)展將會(huì )對慣性導航的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，原子磁強計的研制將帶來(lái)量子精密測量與傳感的新產(chǎn)業(yè)。

發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，實(shí)現換道超車(chē)。建設科技強國需要科學(xué)儀器和裝置，但高端科學(xué)裝置依賴(lài)進(jìn)口；建設質(zhì)量強國需要計量測試儀器，但高端計量?jì)x器被國外“卡脖子”；建設制造強國需要大量高端傳感器，但目前正面臨禁運挑戰。量子精密測量與傳感的研究與應用為我們帶來(lái)了新機遇，開(kāi)辟了新賽道。我國在該領(lǐng)域具有一定基礎，在國際競爭中處于并跑階段，亟須發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，實(shí)現換道超車(chē)。

培育量子精密測量與傳感新產(chǎn)業(yè)。量子傳感器因其高精度、低成本、小體積的技術(shù)優(yōu)勢，將成為未來(lái)產(chǎn)業(yè)的新賽道。面對國際科技競爭局勢，應加速開(kāi)展“量子精密測量+科學(xué)裝置與儀器” “量子精密測量+計量測試”  “量子精密測量+高端醫療裝備”“量子精密測量+能源電力”“量子精密測量+定位導航”“量子精密測量+地質(zhì)海洋”等領(lǐng)域的應用探索研究，培育量子精密測量與傳感未來(lái)產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)傳統產(chǎn)業(yè)轉型升級，推進(jìn)新型工業(yè)化，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。

四、推動(dòng)“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”全鏈條協(xié)同創(chuàng )新

優(yōu)化體系布局，創(chuàng )新發(fā)展模式。極弱磁大科學(xué)設施項目正積極帶動(dòng)中試及成果轉化平臺建設，促進(jìn)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了獨具特色的“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”全鏈條創(chuàng )新發(fā)展模式，將助力加快產(chǎn)業(yè)升級步伐，在以科技創(chuàng )新塑造發(fā)展新優(yōu)勢上走在前列。

“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”的創(chuàng )新實(shí)踐。2017年，北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng )新研究院成立； 2020年，杭州極弱磁場(chǎng)國家重大科技基礎設施研究院成立； 2022年，建設國際零磁科學(xué)谷。杭州高新區（濱江）以“一張藍圖繪到底，一屆接著(zhù)一屆干”的前瞻部署和長(cháng)期規劃，在建設大科學(xué)設施的同時(shí)開(kāi)工建設5個(gè)交叉研究平臺和2個(gè)未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新中心，形成“1+5+2”體系化布局，打造環(huán)大科學(xué)裝置創(chuàng )新生態(tài)圈，成為“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”全鏈條協(xié)同創(chuàng )新典范。

“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”的人才支撐。為支撐極弱磁大科學(xué)裝置建設，北京航空航天大學(xué)大科學(xué)裝置研究院瞄準科學(xué)前沿，開(kāi)展科學(xué)探索、技術(shù)攻關(guān)和預研；杭州極弱磁場(chǎng)國家重大科技基礎設施研究院聚焦工程建設及科技成果轉化；浙江莫干山地磁大科學(xué)裝置研究院開(kāi)展中試小批量生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)孵化。依托三院協(xié)同創(chuàng )新，強化科研能力，推進(jìn)教育、科技、人才一體化發(fā)展，為“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”全鏈條協(xié)同創(chuàng )新提供人才資源保障。

當前，應把握時(shí)代機遇，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，利用政策、人力、市場(chǎng)等資源優(yōu)勢，加快建設極弱磁大科學(xué)設施，打造國之平臺重器，開(kāi)辟量子科技新賽道，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。以“科學(xué)－技術(shù)－產(chǎn)業(yè)”全鏈條協(xié)同創(chuàng )新模式，實(shí)現“從0到1的科學(xué)發(fā)現”“從1到10的技術(shù)創(chuàng )新”及“從10到1000的產(chǎn)業(yè)發(fā)展”，為建設科技強國奉獻才智、寫(xiě)下精彩篇章，以中國式現代化全面推進(jìn)強國建設、民族復興偉業(yè)。

作者：房建成 中國科學(xué)院院士、北京航空航天大學(xué)教授、杭州極弱磁場(chǎng)國家重大科技基礎設施研究院首席科學(xué)家

 

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