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    实施重大研究计划 提升原始创新能力

    日期 2019-04-30   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第1期
    (总496期)

      本文提要:国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)着眼于国家重大战略需求和重大科学前沿,加强顶层设计,凝练科学目标,汇聚优势力量,聚焦“卡脖子”技术背后的核心科学问题,围绕纳米制造的基础研究、单量子态的探测及相互作用、视听觉信息的认知计算等领域实施了一批重大研究计划,推动具有相对统一目标或方向的项目群研究,促进学科交叉与融合,培养创新人才和团队,提升我国基础研究的原始创新能力,为国民经济、社会发展和国家安全提供科学支撑。

      挑战纳米制造“硬骨头”难题,突破抛光装备“卡脖子”技术

      纳米制造技术对国家未来战略新兴产业发展具有重要支撑作用。自然科学基金委于2009年启动“纳米制造的基础研究”重大研究计划,资助培育项目、重点支持项目、集成项目以及战略研究项目共计153项,资助经费约1.9亿元。科研团队通过8年多学科交叉研究,初步建立了纳米制造工艺、装备理论与技术体系,为纳米制造的一致性和批量化奠定了坚实基础,主要成果如下:

      一是揭示了材料的原子层级化学机械去除机制,研发出晶圆化学机械平坦化装备、光刻机镜头的抛光装备并已实现产业化,其主要技术指标达到或优于国际先进水平,累计10台整机装备进入大生产线应用,被中芯国际、英特尔、武芯等企业采购,为集成电路制造装备和工艺国产化提供了技术支撑,为解决我国芯片制造行业化学机械抛光设备长期被美国、日本垄断的“卡脖子”技术问题提供了关键支撑。

      二是提出了界面电荷调控纳米压印原理和方法,解决了压印技术在产业化应用中遇到的因“填不进”和“脱不出”而引起的纳米结构缺陷,突破了充型和脱模的瓶颈,保证了纳米结构制造的保真度,形成了大深宽比特征、大面积图形结构压印的原创技术。采用所研发的“晶圆级气电协同的纳米压印装备”制造的发光二极管亮度提高了40%以上;高端光栅压印制造工艺及装备的研发,打破了国外对高端光栅的技术垄断和产品禁运,为我国国产高档数控机床提供重要技术支撑。

      三是提出电子动态调控的飞秒激光制造原理和方法,实现了对瞬时局部电子动态的主动控制。通过设计超快激光能量时域及空域分布,优化和调节离化电子密度分布,使得微孔加工深径比极限(10:1)增加到100倍(1000:1),效率提高56倍(100孔/秒,深径比1000:1,直径1.5微米)。该方法已成功应用于我国某重大工程的靶丸微孔加工。

      在该重大研究计划支持下,研究团队在国际权威期刊上发表SCI论文3813篇,其中在《自然·纳米技术》、《自然·材料》、《自然·物理学》等顶级期刊上发表论文19篇,ESI高被引论文91篇,授权发明专利935件(美国/欧洲专利11件);自主研制装备17台/套;荣获国家自然科学奖二等奖6项、国家技术发明奖二等奖5项、国家科技进步奖二等奖1项、何梁何利奖2项、国防科技创新团队奖1项。

      未雨绸缪聚焦量子科学研究,合力攻关实现前沿领域领跑态势

      新奇量子体系的调控及应用是当前基础科学研究的前沿技术,是我国在国际科技竞争中实现超越和引领的关键领域之一。单量子态正是中国科学家十年前在此基础上酝酿、讨论并凝练出的重要概念。单量子态的研究对象如电子、光子等是信息技术和能源技术的最基本载体,开展单量子态研究对掌握量子态的特性和量子过程基本规律,发展全新的量子器件构筑技术和探测手段,研发面向未来信息、能源等战略领域的关键核心技术意义重大。

      自然科学基金委于2008年启动“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划,围绕新技术新方法发展和新现象新机理发现开展了深入的研究。累计资助培育项目、重点支持项目、集成项目、战略研究项目共107项,总计投入研究经费2亿元。该重大研究计划瞄准与我国信息和能源重大需求相关的前沿科学问题,如量子信息、低能耗高速微电子器件、超灵敏信息探测、高效光电/热电转化等,发展新的量子探测手段和量子器件制备技术,开展单量子态与量子效应的理论和实验研究,对微观及宏观量子态进行精密探测,掌握单量子态的特性和规律。经过十年的研究,取得了一系列原创性研究成果。实现了量子反常霍尔效应研究和铁基高温超导研究的重大科学突破,均获得国家自然科学奖一等奖。

      量子反常霍尔效应是一个关于微观世界电子运动的全新科学规律,实现了从0到1的突破,是我国对物理学发展的重大贡献,在低能耗电子器件、自旋电子器件、磁电子器件以及量子计算领域有重要应用前景。

      高温超导研究是国际上公认的重大科学问题,我国保持着铁基超导材料的转变温度56开尔文的最高记录,在铁基超导机理研究中发挥了主导作用,首次提出界面可增强超导临界温度这一新效应并予以验证,成为国际高温超导领域研究的引领者。

      在寻找马约拉纳费米子的国际竞赛中,我国科学家率先制备出了拓扑超导材料,观察到马约拉纳费米子的自旋特性,确定了马约拉纳费米子的存在,领先国外1—2年,为其在拓扑量子计算方面的应用奠定了科学基础,走在世界最前沿。研制出国际上首个铌酸锂基可扩展集成光量子芯片,演示了纠缠光子的高效产生、高速光电调制及相应信息处理功能,芯片核心指标比硅基光子芯片高3个数量级,大大提升了量子芯片的集成度和可扩展性,展示了铌酸锂芯片在光量子信息处理、量子通信和量子计算方面的应用前景,引导光量子芯片特别是铌酸锂芯片研究成为当前国际研究热点。

      科研团队通过该重大研究计划的支持,发展了国际领先的精密测量技术和方法。研发出真空紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱技术,能量分辨率达到国际最高水平(约2毫电子伏特),利用该能谱仪首次从实验上证实了拓扑绝缘体中的自旋—轨道锁定现象。研发出高分辨光学成像方法和技术,成像分辨率提高到前所未有的0.5纳米,在国际上首次实现了亚纳米分辨的单分子拉曼成像。研发出以金刚石色心作为磁量子探针的精密探测技术,把磁共振探测的灵敏度提高到单分子水平,在国际上率先实现了单分子磁共振,比传统磁共振技术的灵敏度提升了百亿倍,分辨率提升百万倍。这些精密探测技术极大地提高了探索物质世界深层次结构及相互作用的能力,使我国在单量子态研究领域整体走在国际前列。

      该重大研究计划的研究成果获得国家自然科学奖一等奖2项,国家自然科学奖二等奖11项,国家技术发明奖二等奖2项,未来科学大奖1项,何梁何利基金科学与技术成就奖2项。在重要期刊发表论文共2359篇,其中《科学》19篇、《自然》3篇、《自然》子刊66篇、《物理评论快报》/《物理评论X》114篇、《美国化学会志》10篇、《先进材料》22篇、《美国科学院院刊》12篇。单篇论文他引最高1024次,单篇他引超过500次的论文有10篇。授权国内专利68项,授权国际专利3项。

      聚力视听觉认知计算研究,争夺人工智能制高点

      认知计算是新一代人工智能最核心的基础科学问题,攻克视听觉认知机理难题能极大提升计算机对真实世界的表征和理解能力,突破开发先进人工智能的技术瓶颈和障碍,发展出类人水平人工智能。

      据悉,2018年美国商务部将人工智能相关技术列入14大类关键技术和相关产品出口管制框架。自然科学基金委于2008年8月启动“视听觉信息的认知计算”重大研究计划,提前布局人工智能前沿领域,取得了丰硕的原创成果和广泛的技术应用,为有效应对国外对我国的技术封锁提供了理论支持和技术保障。该重大研究计划投入经费1.9亿元,资助集成项目、重点支持项目、培育项目共97项,从人类视听觉认知与神经机理出发,围绕认知过程的“表达”与“计算”等科学问题,在提出新计算模型与算法、提高计算机对非结构化感知信息和海量异构信息的理解能力及计算效率、构建基于人工智能算法的无人驾驶平台等科学问题和核心技术方面展开深入研究,取得了一系列原创成果。

      一是首次提出知觉物体的拓扑学定义,发展了“大范围首先”(global first)的拓扑性质知觉理论,成果发表在顶级期刊《美国国家科学院院刊》上,国际同行评价其为“认知科学一块重要基石”、“与计算视觉和计算神经科学流派分庭抗礼的最重要知觉理论之一”。

      二是建立视觉注意力统计学习计算模型和显著性目标检测新理论,丰富和发展了马尔计算视觉理论,成果发表在人工智能领域顶级期刊《模式分析与机器智能汇刊》上,国际同行认为其“引领了第二次视觉注意研究热潮”,成为用统计学习方法研究视觉注意力检测的代表性成果。

      三是提出了功能成像脑连接建模与机器学习新方法,揭示了精神疾病的脑连接生物学标记,为研究脑认知神经机制和脑机接口技术提供了重要理论基础,成果作为封面论文发表在国际顶级期刊《脑》上。

      四是建立了汉语语义计算理论与综合型汉语语言知识库,制定了汉语篇章标注规范,其成果被国家标准《中文语音合成系统通用技术规范》采纳;开发了面向公共安全的一系列汉语语言交互系统,应用于我国国家安全及反恐应对等领域。同时,提出“跨媒体”新学科方向,解决了跨媒体多模态信息特征融合及视觉多模态内容检索难题,助推了“大学数字图书馆国际合作计划”(世界最大公益性数字图书馆之一)及“中国工程科技知识中心”的建设。

      该重大研究计划持续推动集成创新。构建了无人驾驶集成创新验证平台,为研究成果走向实际应用提供了可验证的物理载体。集成视听觉认知计算和人工智能新算法方面的研究成果,建立了无人驾驶环境认知基础能力测评体系。与常熟市联合设立了我国首个智能车综合技术研发与测试中心,推动了我国无人驾驶技术实现跨越式发展,依托该重大研究计划已连续举办10届的“中国智能车未来挑战赛”已成为现阶段国内外唯一专门的无人驾驶车辆赛事,为国内智能车相关技术研发企业和研究机构培养输送了大量专业人才。在挑战赛示范带动下,陆军装备部2014年创办了地面无人平台挑战赛“跨越险阻”,多个获奖车队来自本重大研究计划的团队。历经10年所实现的无人驾驶测试与验证计算框架和系统构建方法,是中国无人驾驶技术标志性进展,其成果作为焦点论文发表在顶级期刊《科学·机器人学》上。

      基于该重大研究计划研发的脑—机接口在医疗康复、反馈训练等领域获得广泛应用。研制的世界首套脑机交互空间在轨试验平台,应用于天宫二号与神舟十一号载人飞行任务,入选2015年“天宫二号”的16项航天医学实验;研制的脑控轮椅、外骨骼康复机器人等与视听觉相关的残疾人功能康复装置在医疗领域得到成功应用。

      该重大研究计划实施以来,研究团队发表论文2255篇,其中在《美国国家科学院院刊》、《科学·机器人学》、《模式分析与机器智能汇刊》、《神经元》等顶级期刊上发表论文300余篇,ESI高被引论文35篇,相关成果获国家自然科学奖二等奖4项、国家技术发明奖二等奖1项、国家科技进步奖二等奖2项。