2016年中国科学院重大创新成果

“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)于2016年9月25日在贵州省平塘县的喀斯特洼坑中落成启用。该项目落成将大幅提升我国深空测控和射电天文能力,并在未来15-20年内保持世界领先地位。
从理论上说,“天眼”能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近宇宙边缘。有了该望远镜项目,中国在未来20~30年,可在最大单口径望远镜项目上保持世界一流地位。
“天眼”由中国科学院国家天文台主持建设,从概念到选址再到建成,耗时22年,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。另外,我国将打造立体化的“天眼”集群。“天眼”将和中国其他5座射电望远镜组成“天眼”群,从而更好地获取天体超精细结构。
世界首颗量子科学实验卫星
量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,其主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
量子卫星工程由中科院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制;中科院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统,中科院上海技术物理研究所联合中国科大研制有效载荷分系统。中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行,对地观测与数字地球科学中心等单位参加。
暗物质粒子探测卫星
作为中国科学院空间科学战略性先导科技专项首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,暗物质粒子探测卫星“悟空”是我国第一颗完全由中科院研制、生产的卫星,也是我国空间科学卫星系列的首发星。
其中,中科院国家空间科学中心负责暗物质粒子探测卫星工程大总体工作;上海微小卫星工程中心负责卫星系统抓总并承担卫星平台的研制,紫金山天文台负责有效载荷抓总研制,中国科技大学、高能物理研究所、近代物理研究所、国家空间科学中心等参加;国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行,遥感与数字地球研究所等参加;紫金山天文台负责科学应用系统研制、建设、运行。
其三个主要科学目标分别是:通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子,在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破;通过观测TeV以上的高能电子及重核,在宇宙射线起源方面取得突破;通过观测高能伽玛射线,在伽玛天文方面取得重要成果。
实践十号返回式科学实验卫星
实践十号卫星是中国科学院“空间科学”战略性先导科技专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星,主要科学目标是利用太空中微重力等特殊环境,开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术六大领域的19项科学实验,主要研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律。
实践十号卫星工程由中科院国家空间科学中心抓总负责。航天科技集团公司第五研究院抓总研制卫星系统及卫星平台;科学应用系统由中科院力学研究所负责,19个科学实验项目由中科院11个研究所和6所高校承担。中科院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行及有效载荷总体工作,运载火箭系统由中国航天科技集团所属上海航天技术研究院负责研制
全球二氧化碳监测科学实验卫星
16年12月22日,我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空。该卫星的成功研制和后续在轨稳定运行,将使我国初步形成针对重点地区乃至全球的大气二氧化碳浓度监测能力,对充分了解全球碳循环过程及其对全球气候变化的影响,提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。
碳卫星是国家科技部为应对全球气候变化、提升我国全球二氧化碳监测能力部署的一项重大任务。通过863计划地球观测与导航技术领域“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目立项实施。该项目由中科院国家空间科学中心负责工程总体;中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统,中科院长春光学精密机械与物理研究所研制有效载荷;中国气象局国家卫星气象中心负责地面数据接收处理与二氧化碳反演验证系统的研制、建设和运行。
16年8月12日,中国4500米载人潜水器及万米深潜作业的工作母船“探索一号”科考船首航归来。
本次科考使用由中科院战略性先导科技专项以及海南省重大科技项目立项支持、自主研发的万米级自主遥控潜水器(ARV)“海斗号”、深渊着陆器“天涯号”与“海角号”、万米级原位试验系统“原位实验号”、9000米级深海海底地震仪、7000米级深海滑翔机等系列高技术装备,在马里亚纳海沟海域共执行84项科考任务,在不同深度断面上取得了一大批珍贵样品和数据。
衍射光栅是一种具有纳米精度周期性微结构的精密光学元件。它作为核心色散单元器件,在光谱学、天文学、激光器、光通讯、信息存储、新能源等诸多领域中具有重要应用。光栅面积大可获得高集光率和分辨本领,精度高可获得更好的信噪比,但是,同时将光栅“做大”和“做精”则属于世界性难题。我国战略高技术领域所需要的高精度大尺寸光栅受到国外严格限制。随着科学技术的不断发展,大面积高精度中阶梯光栅已经成为制约我国相关领域技术发展的“短板”,此类光栅研制的也是各光栅强国之间展开竞争的焦点。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所是中国光栅的发源地。早在1958年,就研制出了国内第一台光栅刻划机和第一块光栅,我国第一颗原子弹爆炸试验的光谱设备就曾经使用过这里研制的光栅。随着科学技术的不断发展,大面积高精度光栅又成为了制约我国相关领域技术发展的“短板”。因此,2008年,在中科院和财政部的策划协调下,长春光机所再次承担起了研制“大型高精度衍射光栅刻划系统”的工作,经过8年艰苦攻关,项目组攻克18项关键技术,取得9项创新性成果,研制出一套大型高精度光栅刻划系统,并成功研制出面积达400mm×500mm的世界上面积最大的中阶梯光栅,我国几代“光栅人”终于圆梦成真。
大型高精度光栅刻划系统以及大面积中阶梯光栅的研制成功,不仅打破了我国大型光学系统、远程探测与识别等大科学装置以及国家战略高技术领域所需要的高精度大尺寸光栅受制于人的局面,而且能促进我国光谱仪器行业摆脱“有器无心”局面,帮助我国光谱仪器产业改变低端化现状、提升拓展国际市场的能力。
平流层飞艇是国际上发展的一个热点,它可以定点在2万米以上的高空,执行长时间对地侦察和监视任务,在军民用领域都有广泛的用途。平流层是指20-50公里左右的大气层,这里气象条件下比较稳定,日照时间长,并且处于大多数战斗机和防空系统的射高范围之外,适合飞行器长时间驻留。
平流层飞艇可以长时间在某一个地点驻留长达数天、数月甚至更长时间,相比较而言,卫星和预警机想保留对一个地方进行全天监视,难度非常大,费用也非常高昂。目前世界各国如美国、日本、英国、德国、以色列等都在发展平流层飞艇。
目前,中国在平流层飞艇技术方面属于世界领先水平,中科院近期刚刚成功进行了不同尺寸艇身的放飞试验。到2020年研制出长航时,长驻空动力飞行平流层飞艇系统,突破核心关键技术,成功实施2万米高度驻留试验,在国际上率先掌握在平流层高度具备一定载荷能力的可控飞艇作业平台技术。
超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件,在台式化加速器、超快化学、阿秒科学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域具有重大应用价值。因此,国际上多个国家投入巨资开展10拍瓦(1拍瓦=1千万亿瓦)级大型超强超短激光装置的研制,展开激烈竞争。
超强超短激光有着多种用途,比如在生物领域,可用于研制台式化电子加速器和超快X射线源,用于对蛋白质中原子运动的成像探测,揭示生命的奥秘;可用于研制基于小型化激光质子加速器的激光质子刀,用于癌症的治疗;产生的阿秒(10-18秒)脉冲还可以用于探测原子内电子的运动,推动材料科学与信息技术的进步;超强超短激光还可用于产生反物质,研究天体物理和宇宙起源,将来还可能用于真空结构和暗物质的探测。
EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。
EAST装置的主机部分高11米,直径8米,重400吨,由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广,技术难度大,许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。
EAST的建造具有十分重大的科学意义,它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家,使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。在装置建成后的10-15年期间,能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究,并使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。
16年12月16日,由国家高分重大专项支持,中国科学院遥感与数字地球研究所承担建设和运行任务的中国遥感卫星地面站北极接收站在瑞典基律纳通过现场验收并投入试运行。
北极站位于瑞典基律纳航天中心,站址经纬度为北纬67°53’、东经21°04’,位于北极圈以北约200公里处。北极站历经两年建设完成,是我国第一个海外陆地卫星接收站,具有全天候、全天时、多种分辨率卫星的接收能力。北极站的落成运行极大提高了我国全球数据的接收获取能力,尤其可以大大增加卫星拍摄数据的下传时效,对自然灾害等需要快速响应的应用具有重大意义。
让计算机具有像人一样的智能,是中国科学院计算技术研究所和寒武纪公司长期的奋斗目标。人脑的智能的核心物质载体是由巨量的神经元细胞通过突触互相连接组成的神经网络。正是依靠神经网络,人脑具有了感知、认知、推理等智能。计算机科学家受此启发,发明了一类被称为“深度神经网络”的方法,在计算机中用虚拟的神经元和突触,组成多层的人工神经网络,对信息进行智能地处理。深度神经网络目前在一些图像识别、语音识别和游戏博弈问题上,已经接近甚至超过了人类水平。
但是,现有的通用处理器运行深度神经网络性能和能效都非常有限。谷歌大脑和AlphaGo这样的深度神经网络甚至需要使用成千上万个通用处理器核。这显著制约了深度神经网络的应用和发展。寒武纪团队对此问题进行了深入的探索,提出的深度神经网络处理器架构采用了专门的硬件神经元和硬件突触作为运算器,并为神经网络的高速连接设计了专门的存储结构,还专门设计了与通用处理器完全不同的指令集。
作为为人工智能而生的处理器,寒武纪-1A能有效地支撑语音识别、机器视觉、自然语言理解、图像搜索、广告推荐等关键智能应用,使得即便是手机、玩具、摄像头、机器人等嵌入式终端,也能得到强大的本地智能能力。中科院计算所和寒武纪公司正在积极地联合从应用、算法、硬件到芯片各个领域的同行,围绕寒武纪的指令集、架构、IP和芯片,共建新型的智能生态,推动寒武纪的产业化。
16年11月17日,在美国盐湖城举行的2016年全球超级计算大会上,中国科学院 “千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”一举获得国际高性能计算应用领域最高奖戈登贝尔奖,实现了我国高性能计算应用在此奖项上零的突破,成为我国高性能计算应用发展的一个新的里程碑。
“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”由中科院软件所、清华大学、北京师范大学、国家并行计算机工程技术研究中心和国家超级计算无锡中心的联合团队合作完成。该应用团队设计并开发了一种新的用于大气动力框架的高可扩展全隐式求解器,世界上首次在大规模异构系统上实现了高效和千万核可扩展的全隐式求解,并将模拟分辨率提升至500米以内,未来有望应用于全球高分辨率气候模拟和高精细数值天气预报。
编辑:中国科学院长春技术转移中心
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