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”“強大的關鍵核心技術攻關能力”“強大的國際影響力和引領力”“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。國家重大科技基礎設施（以下簡稱“大科學設施”）是科學探索和技術創(chuàng)新的大國重器，是推動科技賦能未來產業(yè)的技術策源地。“超高靈敏極弱磁場和慣性測量裝置”大科學設施（以下簡稱“極弱磁大科學設施”）追求極端弱磁環(huán)境和測量記錄，布局中試及技術創(chuàng)新平臺，開展成果轉化，培育未來產業(yè)，開辟量子精密測量與傳感新賽道，發(fā)展新質生產力，加快實現(xiàn)科技自立自強。
一、深刻認識建設新型大科學設施的重大意義
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，擁有強大的基礎研究和原始創(chuàng)新能力，持續(xù)產出重大原創(chuàng)性、顛覆性科技成果，將引領科技革命和產業(yè)變革，為建設世界強國奠定科技基礎。
大科學設施是為探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、引領技術變革提供極限研究手段的大型復雜科學技術研究裝置或系統(tǒng)。作為國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，大科學設施是解決重點產業(yè)“卡脖子”問題、支撐關鍵核心技術攻關、保障經濟社會發(fā)展和國家安全的物質技術基礎，是搶占全球科技制高點、構筑競爭新優(yōu)勢、開辟科技新賽道的戰(zhàn)略必爭之地。
技術創(chuàng)新源于科學發(fā)現(xiàn)，形成產業(yè)推動社會進步。科學發(fā)現(xiàn)是認識世界、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、顛覆性和引領性的重大創(chuàng)新成果。在原始創(chuàng)新基礎上形成的技術創(chuàng)新可以改造世界、改變人類的生存和生活方式，進而形成產業(yè)，服務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)療設備，帶來了高端醫(yī)療裝備產業(yè)，推動了醫(yī)學的進步和人類社會的發(fā)展。
科學發(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胞，推動了生物學研究的跨越式發(fā)展。進入21世紀，科學家進行新的科學發(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)境下的科學研究提供了極端環(huán)境和條件。
建設大科學設施，帶動高新技術產業(yè)發(fā)展。目前，國內已建成和在建的大科學設施已達77個，其中許多既能開展基礎科學研究也能帶來新技術新產業(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業(yè)的發(fā)展；同步輻射光源為微電子、集成電路產業(yè)帶來了多項技術突破?；浉郯拇鬄硡^(qū)、上海、北京、合肥四大綜合性國家科學中心擁有全國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)，擁有大量高新技術企業(yè)。國內地區(qū)的經濟發(fā)達程度側面印證了“科學技術是第一生產力”，建設大科學設施，將有效推動高新技術產業(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。“工欲善其事，必先利其器”，被稱為“大科學裝置”的大科學設施，正是推動重大科技創(chuàng)新的利器。我國的天眼、空間站等大科學設施是搶占全球科技制高點、構筑競爭新優(yōu)勢的國之重器和平臺。在磁場測量領域，相較于強度在幾萬nT（10-9）的地磁場，人類已經研制出了幾十乃至上百T的強磁場大科學設施。強磁場的研究帶來核磁共振等革命性技術，先后6次獲得諾貝爾物理學獎、化學獎、生物學獎及醫(yī)學獎，為醫(yī)學研究、產業(yè)應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)學應用探索研究。相較于強磁領域的研究，工信部在杭州建設的北航極弱磁大科學設施是國際首創(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為基礎，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并創(chuàng)新提出“零磁醫(yī)學”，與核磁共振技術互補，以“結構+功能”共同反映人體健康狀態(tài)。
二、堅持“四個面向”，建設極弱磁新型大科學設施
持續(xù)攻關研究16年，打造原創(chuàng)技術策源地。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)略導向，不負歷史重托，開展極弱磁基礎理論和應用研究。極弱磁新型大科學設施以應用需求為支撐，持續(xù)引領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創(chuàng)新發(fā)展，對于加快提升原始創(chuàng)新能力和關鍵核心技術攻關能力，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（以下簡稱“北航”）瞄準國防領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效應的極弱磁場和慣性測量研究。歷經12年技術攻關，北航在磁場測量及慣性測量領域均已超過國外公開發(fā)表的最高指標。在此基礎上，北航于2020年開始申報極弱磁場大科學設施。秉持方向堅定、永不停轉的“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備體積，為產業(yè)化應用奠定基礎。
面向“科技前沿”，提供驗證手段。極弱磁大科學設施的核心區(qū)將利用三層磁屏蔽及磁補償技術，打造地球上磁場最弱的“零磁空間”。面向基礎物理學，為EDM、CPT、第五種力、暗物質等基礎物理學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，揭示生命系統(tǒng)低能耗、高效率、高精準信息傳遞、物質合成、能量轉化的機理。極弱磁大科學設施將建設成國際開放的科學殿堂，為人類探索未知世界和科學研究提供平臺。
面向“經濟戰(zhàn)場”，擴大應用領域。面向零磁生物學，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、材料學，進行化學反應及材料性能分析研究。利用超高靈敏極弱磁測量技術開展成果轉化，研制芯片化原子磁強計，研發(fā)各類儀器設備及傳感器，在科研、醫(yī)療、地質、能源電力等多個領域孵化科技型創(chuàng)新企業(yè)，打造環(huán)大科學裝置創(chuàng)新生態(tài)圈，開辟量子精密磁場測量與傳感未來產業(yè)新賽道，打造科技創(chuàng)新策源地。
面向“重大需求”，服務國家戰(zhàn)略。立足國防軍工需求，極弱磁測量技術可用于探測海洋中目標產生的微弱磁場異常，提升我國海洋反潛能力，維護國家海洋安全；慣性測量技術可用于戰(zhàn)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(xiàn)代先進測量體系建設需求，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設施“沿途下蛋”誕生的第一個技術創(chuàng)新轉化成果。這一創(chuàng)新技術利用磁屏蔽桶產生的弱磁環(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)等領域具有廣闊的應用前景，將為醫(yī)學創(chuàng)新和人類生命健康產業(yè)帶來新的技術變革。
三、抓住量子科技發(fā)展新機遇，開展技術創(chuàng)新與成果轉化
量子科技是我國重點發(fā)展的未來產業(yè),也是大國博弈的重要領域。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業(yè)變革中，我們要抓住機遇，依托國家實驗室及大科學設施進行技術創(chuàng)新，促進基礎研究成果轉化，搶占未來科技和產業(yè)發(fā)展的制高點，助力中國量子科技研究和應用快速發(fā)展。
量子技術具備三大方向及發(fā)展趨勢。量子技術主要分為量子計算、量子通信及量子精密測量三大方向，均基本遵循“機電→光學→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為例，該技術由最早基于電磁感應定律的機電類傳感器發(fā)展成為基于光學、光電轉換效應的光電類傳感器，再發(fā)展成為基于光、磁與原子相互作用，采用新原理、新效應的量子類傳感器，每一類新技術的出現(xiàn)都帶來了性能的巨大提升。
七個基本物理量計量基準量子化。2018年，第26屆國際計量大會通過決議，溫度、物質的量、光強、質量、長度、時間、安培七個基本物理量計量基準（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率先產業(yè)化。相較于單量子操控（量子糾纏）技術，量子精密測量與傳感科學儀器主要基于系綜量子操控，更容易轉化為現(xiàn)實的新質生產力，實現(xiàn)產業(yè)應用和產業(yè)化。用于時間測量的原子鐘，在時間基準、授時、定位導航、時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、重力匹配導航等領域作用巨大；原子陀螺儀的發(fā)展將會對慣性導航的發(fā)展產生重要影響，原子磁強計的研制將帶來量子精密測量與傳感的新產業(yè)。
發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，實現(xiàn)換道超車。建設科技強國需要科學儀器和裝置，但高端科學裝置依賴進口；建設質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用為我們帶來了新機遇，開辟了新賽道。我國在該領域具有一定基礎，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，實現(xiàn)換道超車。
培育量子精密測量與傳感新產業(yè)。量子傳感器因其高精度、低成本、小體積的技術優(yōu)勢，將成為未來產業(yè)的新賽道。面對國際科技競爭局勢，應加速開展“量子精密測量+科學裝置與儀器” “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+定位導航”“量子精密測量+地質海洋”等領域的應用探索研究，培育量子精密測量與傳感未來產業(yè)，帶動傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級，推進新型工業(yè)化，加快發(fā)展新質生產力。
四、推動“科學－技術－產業(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。極弱磁大科學設施項目正積極帶動中試及成果轉化平臺建設，促進未來產業(yè)發(fā)展，形成了獨具特色的“科學－技術－產業(yè)”全鏈條創(chuàng)新發(fā)展模式，將助力加快產業(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－技術－產業(yè)”的創(chuàng)新實踐。2017年，北京航空航天大學杭州創(chuàng)新研究院成立； 2020年，杭州極弱磁場國家重大科技基礎設施研究院成立； 2022年，建設國際零磁科學谷。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，在建設大科學設施的同時開工建設5個交叉研究平臺和2個未來產業(yè)創(chuàng)新中心，形成“1+5+2”體系化布局，打造環(huán)大科學裝置創(chuàng)新生態(tài)圈，成為“科學－技術－產業(yè)”全鏈條協(xié)同創(chuàng)新典范。
“科學－技術－產業(yè)”的人才支撐。為支撐極弱磁大科學裝置建設，北京航空航天大學大科學裝置研究院瞄準科學前沿，開展科學探索、技術攻關和預研；杭州極弱磁場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裝置研究院開展中試小批量生產及產業(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－技術－產業(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，加快建設極弱磁大科學設施，打造國之平臺重器，開辟量子科技新賽道，加快發(fā)展新質生產力。以“科學－技術－產業(yè)”全鏈條協(xié)同創(chuàng)新模式，實現(xiàn)“從0到1的科學發(fā)現(xiàn)”“從1到10的技術創(chuàng)新”及“從10到1000的產業(yè)發(fā)展”，為建設科技強國奉獻才智、寫下精彩篇章，以中國式現(xiàn)代化全面推進強國建設、民族復興偉業(yè)。
作者：房建成 中國科學院院士、北京航空航天大學教授、杭州極弱磁場國家重大科技基礎設施研究院首席科學家
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