我們要建成的科技強國，必須具備“強大的基礎(chǔ)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(yǎng)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(chǔ)設(shè)施（以下簡稱“大科學(xué)設(shè)施”）是科學(xué)探索和技術(shù)創(chuàng)新的大國重器，是推動科技賦能未來產(chǎn)業(yè)的技術(shù)策源地。“超高靈敏極弱磁場和慣性測量裝置”大科學(xué)設(shè)施（以下簡稱“極弱磁大科學(xué)設(shè)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，開展成果轉(zhuǎn)化，培育未來產(chǎn)業(yè)，開辟量子精密測量與傳感新賽道，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，加快實現(xiàn)科技自立自強。
一、深刻認(rèn)識建設(shè)新型大科學(xué)設(shè)施的重大意義
科技興則民族興，科技強則國家強。強大的科技實力和創(chuàng)新能力是科技強國的必要支撐，是推進綜合國力整體躍升、增進人類福祉、推動全球發(fā)展的動力之源。新時代新征程，大國博弈的戰(zhàn)場聚焦前沿科技，擁有強大的基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新能力，持續(xù)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(shè)世界強國奠定科技基礎(chǔ)。
大科學(xué)設(shè)施是為探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、引領(lǐng)技術(shù)變革提供極限研究手段的大型復(fù)雜科學(xué)技術(shù)研究裝置或系統(tǒng)。作為國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，大科學(xué)設(shè)施是解決重點產(chǎn)業(yè)“卡脖子”問題、支撐關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)、保障經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，是搶占全球科技制高點、構(gòu)筑競爭新優(yōu)勢、開辟科技新賽道的戰(zhàn)略必爭之地。
技術(shù)創(chuàng)新源于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，形成產(chǎn)業(yè)推動社會進步。科學(xué)發(fā)現(xiàn)是認(rèn)識世界、揭示自然界和人類社會未知事物的過程，支撐著原始技術(shù)創(chuàng)新。原始創(chuàng)新是指在基礎(chǔ)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(chǔ)上形成的技術(shù)創(chuàng)新可以改造世界、改變?nèi)祟惖纳婧蜕罘绞剑M而形成產(chǎn)業(yè)，服務(wù)人類社會與自然的和諧發(fā)展。比如，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，拍攝了第一張人體X光片，后來人們據(jù)此研發(fā)了CT醫(yī)療設(shè)備，帶來了高端醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)，推動了醫(yī)學(xué)的進步和人類社會的發(fā)展。
科學(xué)發(fā)現(xiàn)源于觀察思考，極端環(huán)境創(chuàng)造特殊條件。由于人類文明的不斷進步，科學(xué)發(fā)現(xiàn)不再像牛頓觀察蘋果落地發(fā)現(xiàn)萬有引力一樣源于日常，它需要借助更多的工具和方法。比如，胡克利用顯微鏡觀察到細(xì)胞，推動了生物學(xué)研究的跨越式發(fā)展。進入21世紀(jì)，科學(xué)家進行新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要依靠極端的手段和特殊的條件。比如，通過巨大的射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了肉眼無法觀測到的天文星體；太空空間站為開展微重力環(huán)境下的科學(xué)研究提供了極端環(huán)境和條件。
建設(shè)大科學(xué)設(shè)施，帶動高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，國內(nèi)已建成和在建的大科學(xué)設(shè)施已達77個，其中許多既能開展基礎(chǔ)科學(xué)研究也能帶來新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)。重離子加速器帶來了重離子靶向治療儀；可控核聚變裝置推動了聚變能源產(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)帶來了多項技術(shù)突破。粵港澳大灣區(qū)、上海、北京、合肥四大綜合性國家科學(xué)中心擁有全國80%以上的國家實驗室；粵港澳、長三角、京津冀聚集了全國1/3的國家級高新區(qū)，擁有大量高新技術(shù)企業(yè)。國內(nèi)地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)達程度側(cè)面印證了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，建設(shè)大科學(xué)設(shè)施，將有效推動高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
國之重器打造創(chuàng)新平臺，強磁研究帶來革命技術(shù)。“工欲善其事，必先利其器”，被稱為“大科學(xué)裝置”的大科學(xué)設(shè)施，正是推動重大科技創(chuàng)新的利器。我國的天眼、空間站等大科學(xué)設(shè)施是搶占全球科技制高點、構(gòu)筑競爭新優(yōu)勢的國之重器和平臺。在磁場測量領(lǐng)域，相較于強度在幾萬nT（10-9）的地磁場，人類已經(jīng)研制出了幾十乃至上百T的強磁場大科學(xué)設(shè)施。強磁場的研究帶來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(yī)學(xué)獎，為醫(yī)學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及人類生命健康作出巨大貢獻。
極弱磁場屏蔽地磁干擾，開展醫(yī)學(xué)應(yīng)用探索研究。相較于強磁領(lǐng)域的研究，工信部在杭州建設(shè)的北航極弱磁大科學(xué)設(shè)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(chǔ)，在屏蔽地磁場的環(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(yī)學(xué)”，與核磁共振技術(shù)互補，以“結(jié)構(gòu)+功能”共同反映人體健康狀態(tài)。
二、堅持“四個面向”，建設(shè)極弱磁新型大科學(xué)設(shè)施
持續(xù)攻關(guān)研究16年，打造原創(chuàng)技術(shù)策源地。2008年以來，科研團隊始終堅持“面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康”的戰(zhàn)略導(dǎo)向，不負(fù)歷史重托，開展極弱磁基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究。極弱磁新型大科學(xué)設(shè)施以應(yīng)用需求為支撐，持續(xù)引領(lǐng)超高靈敏極弱磁場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(xù)攻堅克難。北京航空航天大學(xué)（以下簡稱“北航”）瞄準(zhǔn)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年率先開展基于原子自旋SERF效應(yīng)的極弱磁場和慣性測量研究。歷經(jīng)12年技術(shù)攻關(guān)，北航在磁場測量及慣性測量領(lǐng)域均已超過國外公開發(fā)表的最高指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，北航于2020年開始申報極弱磁場大科學(xué)設(shè)施。秉持方向堅定、永不停轉(zhuǎn)的“陀螺精神”，北航一方面持續(xù)深耕，打破原有記錄，在測量精度上不斷提高，持續(xù)保持國際領(lǐng)先水平；另一方面開展芯片化傳感器研究，在保證精度的同時大幅縮小設(shè)備體積，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
面向“科技前沿”，提供驗證手段。極弱磁大科學(xué)設(shè)施的核心區(qū)將利用三層磁屏蔽及磁補償技術(shù)，打造地球上磁場最弱的“零磁空間”。面向基礎(chǔ)物理學(xué)，為EDM、CPT、第五種力、暗物質(zhì)等基礎(chǔ)物理學(xué)命題提供有效驗證手段，揭示宇宙起源及構(gòu)成等“諾獎級”命題；面向零磁生命科學(xué)，揭示生命系統(tǒng)低能耗、高效率、高精準(zhǔn)信息傳遞、物質(zhì)合成、能量轉(zhuǎn)化的機理。極弱磁大科學(xué)設(shè)施將建設(shè)成國際開放的科學(xué)殿堂，為人類探索未知世界和科學(xué)研究提供平臺。
面向“經(jīng)濟戰(zhàn)場”，擴大應(yīng)用領(lǐng)域。面向零磁生物學(xué)，開展“零磁”環(huán)境下動植物的活動及生命特征研究；面向零磁化學(xué)、材料學(xué)，進行化學(xué)反應(yīng)及材料性能分析研究。利用超高靈敏極弱磁測量技術(shù)開展成果轉(zhuǎn)化，研制芯片化原子磁強計，研發(fā)各類儀器設(shè)備及傳感器，在科研、醫(yī)療、地質(zhì)、能源電力等多個領(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，開辟量子精密磁場測量與傳感未來產(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(zhàn)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(biāo)產(chǎn)生的微弱磁場異常，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(zhàn)略武器的全自主和高精度定位導(dǎo)航，提升威懾力量。立足國家現(xiàn)代先進測量體系建設(shè)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(zhǔn)建設(shè)，開展國際比對。面向國家重大需求，搶占戰(zhàn)略制高點，掌握全球科技競爭先機。
面向“人民健康”，研發(fā)醫(yī)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(yī)療裝備是極弱磁大科學(xué)設(shè)施“沿途下蛋”誕生的第一個技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)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、無損無創(chuàng)的優(yōu)勢特點，在心、腦、腫瘤、中醫(yī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，將為醫(yī)學(xué)創(chuàng)新和人類生命健康產(chǎn)業(yè)帶來新的技術(shù)變革。
三、抓住量子科技發(fā)展新機遇，開展技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化
量子科技是我國重點發(fā)展的未來產(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(zhàn)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，依托國家實驗室及大科學(xué)設(shè)施進行技術(shù)創(chuàng)新，促進基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化，搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點，助力中國量子科技研究和應(yīng)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(yīng)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(yīng)定律的機電類傳感器發(fā)展成為基于光學(xué)、光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的光電類傳感器，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(yīng)的量子類傳感器，每一類新技術(shù)的出現(xiàn)都帶來了性能的巨大提升。
七個基本物理量計量基準(zhǔn)量子化。2018年，第26屆國際計量大會通過決議，溫度、物質(zhì)的量、光強、質(zhì)量、長度、時間、安培七個基本物理量計量基準(zhǔn)（最高精度測量）已全部實現(xiàn)量子化，并于2019年5月20日在第20個“世界計量日”正式生效。量子精密測量作為基本物理量標(biāo)定基準(zhǔn)，先天具有高精度潛力，應(yīng)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(zhuǎn)化為現(xiàn)實的新質(zhì)生產(chǎn)力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。用于時間測量的原子鐘，在時間基準(zhǔn)、授時、定位導(dǎo)航、時間同步等方面應(yīng)用廣泛；用于重力測量的原子重力儀，在探礦、重力匹配導(dǎo)航等領(lǐng)域作用巨大；原子陀螺儀的發(fā)展將會對慣性導(dǎo)航的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，原子磁強計的研制將帶來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，實現(xiàn)換道超車。建設(shè)科技強國需要科學(xué)儀器和裝置，但高端科學(xué)裝置依賴進口；建設(shè)質(zhì)量強國需要計量測試儀器，但高端計量儀器被國外“卡脖子”；建設(shè)制造強國需要大量高端傳感器，但目前正面臨禁運挑戰(zhàn)。量子精密測量與傳感的研究與應(yīng)用為我們帶來了新機遇，開辟了新賽道。我國在該領(lǐng)域具有一定基礎(chǔ)，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，實現(xiàn)換道超車。
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，將成為未來產(chǎn)業(yè)的新賽道。面對國際科技競爭局勢，應(yīng)加速開展“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(yī)療裝備”“量子精密測量+能源電力”“量子精密測量+定位導(dǎo)航”“量子精密測量+地質(zhì)海洋”等領(lǐng)域的應(yīng)用探索研究，培育量子精密測量與傳感未來產(chǎn)業(yè)，帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推進新型工業(yè)化，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。
四、推動“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(shè)施項目正積極帶動中試及成果轉(zhuǎn)化平臺建設(shè)，促進未來產(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，杭州極弱磁場國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研究院成立； 2022年，建設(shè)國際零磁科學(xué)谷。杭州高新區(qū)（濱江）以“一張藍圖繪到底，一屆接著一屆干”的前瞻部署和長期規(guī)劃，在建設(shè)大科學(xué)設(shè)施的同時開工建設(shè)5個交叉研究平臺和2個未來產(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(shè)，北京航空航天大學(xué)大科學(xué)裝置研究院瞄準(zhǔn)科學(xué)前沿，開展科學(xué)探索、技術(shù)攻關(guān)和預(yù)研；杭州極弱磁場國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研究院聚焦工程建設(shè)及科技成果轉(zhuǎn)化；浙江莫干山地磁大科學(xué)裝置研究院開展中試小批量生產(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(dāng)前，應(yīng)把握時代機遇，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，利用政策、人力、市場等資源優(yōu)勢，加快建設(shè)極弱磁大科學(xué)設(shè)施，打造國之平臺重器，開辟量子科技新賽道，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，實現(xiàn)“從0到1的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”“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(shè)科技強國奉獻才智、寫下精彩篇章，以中國式現(xiàn)代化全面推進強國建設(shè)、民族復(fù)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、杭州極弱磁場國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研究院首席科學(xué)家
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