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    實施重大研究計劃 提升原始創新能力

    日期 2019-04-30   來源:   作者:  【 】   【打印】   【關閉

    第1期
    (總496期)

      本文提要:國家自然科學基金委員會(以下簡稱自然科學基金委)著眼于國家重大戰略需求和重大科學前沿,加強頂層設計,凝練科學目標,匯聚優勢力量,聚焦“卡脖子”技術背后的核心科學問題,圍繞納米制造的基礎研究、單量子態的探測及相互作用、視聽覺信息的認知計算等領域實施了一批重大研究計劃,推動具有相對統一目標或方向的項目群研究,促進學科交叉與融合,培養創新人才和團隊,提升我國基礎研究的原始創新能力,為國民經濟、社會發展和國家安全提供科學支撐。

      挑戰納米制造“硬骨頭”難題,突破拋光裝備“卡脖子”技術

      納米制造技術對國家未來戰略新興產業發展具有重要支撐作用。自然科學基金委于2009年啟動“納米制造的基礎研究”重大研究計劃,資助培育項目、重點支持項目、集成項目以及戰略研究項目共計153項,資助經費約1.9億元??蒲袌F隊通過8年多學科交叉研究,初步建立了納米制造工藝、裝備理論與技術體系,為納米制造的一致性和批量化奠定了堅實基礎,主要成果如下:

      一是揭示了材料的原子層級化學機械去除機制,研發出晶圓化學機械平坦化裝備、光刻機鏡頭的拋光裝備并已實現產業化,其主要技術指標達到或優于國際先進水平,累計10臺整機裝備進入大生產線應用,被中芯國際、英特爾、武芯等企業采購,為集成電路制造裝備和工藝國產化提供了技術支撐,為解決我國芯片制造行業化學機械拋光設備長期被美國、日本壟斷的“卡脖子”技術問題提供了關鍵支撐。

      二是提出了界面電荷調控納米壓印原理和方法,解決了壓印技術在產業化應用中遇到的因“填不進”和“脫不出”而引起的納米結構缺陷,突破了充型和脫模的瓶頸,保證了納米結構制造的保真度,形成了大深寬比特征、大面積圖形結構壓印的原創技術。采用所研發的“晶圓級氣電協同的納米壓印裝備”制造的發光二極管亮度提高了40%以上;高端光柵壓印制造工藝及裝備的研發,打破了國外對高端光柵的技術壟斷和產品禁運,為我國國產高檔數控機床提供重要技術支撐。

      三是提出電子動態調控的飛秒激光制造原理和方法,實現了對瞬時局部電子動態的主動控制。通過設計超快激光能量時域及空域分布,優化和調節離化電子密度分布,使得微孔加工深徑比極限(10:1)增加到100倍(1000:1),效率提高56倍(100孔/秒,深徑比1000:1,直徑1.5微米)。該方法已成功應用于我國某重大工程的靶丸微孔加工。

      在該重大研究計劃支持下,研究團隊在國際權威期刊上發表SCI論文3813篇,其中在《自然·納米技術》、《自然·材料》、《自然·物理學》等頂級期刊上發表論文19篇,ESI高被引論文91篇,授權發明專利935件(美國/歐洲專利11件);自主研制裝備17臺/套;榮獲國家自然科學獎二等獎6項、國家技術發明獎二等獎5項、國家科技進步獎二等獎1項、何梁何利獎2項、國防科技創新團隊獎1項。

      未雨綢繆聚焦量子科學研究,合力攻關實現前沿領域領跑態勢

      新奇量子體系的調控及應用是當前基礎科學研究的前沿技術,是我國在國際科技競爭中實現超越和引領的關鍵領域之一。單量子態正是中國科學家十年前在此基礎上醞釀、討論并凝練出的重要概念。單量子態的研究對象如電子、光子等是信息技術和能源技術的最基本載體,開展單量子態研究對掌握量子態的特性和量子過程基本規律,發展全新的量子器件構筑技術和探測手段,研發面向未來信息、能源等戰略領域的關鍵核心技術意義重大。

      自然科學基金委于2008年啟動“單量子態的探測及相互作用”重大研究計劃,圍繞新技術新方法發展和新現象新機理發現開展了深入的研究。累計資助培育項目、重點支持項目、集成項目、戰略研究項目共107項,總計投入研究經費2億元。該重大研究計劃瞄準與我國信息和能源重大需求相關的前沿科學問題,如量子信息、低能耗高速微電子器件、超靈敏信息探測、高效光電/熱電轉化等,發展新的量子探測手段和量子器件制備技術,開展單量子態與量子效應的理論和實驗研究,對微觀及宏觀量子態進行精密探測,掌握單量子態的特性和規律。經過十年的研究,取得了一系列原創性研究成果。實現了量子反?;魻栃芯亢丸F基高溫超導研究的重大科學突破,均獲得國家自然科學獎一等獎。

      量子反?;魻栃且粋€關于微觀世界電子運動的全新科學規律,實現了從0到1的突破,是我國對物理學發展的重大貢獻,在低能耗電子器件、自旋電子器件、磁電子器件以及量子計算領域有重要應用前景。

      高溫超導研究是國際上公認的重大科學問題,我國保持著鐵基超導材料的轉變溫度56開爾文的最高記錄,在鐵基超導機理研究中發揮了主導作用,首次提出界面可增強超導臨界溫度這一新效應并予以驗證,成為國際高溫超導領域研究的引領者。

      在尋找馬約拉納費米子的國際競賽中,我國科學家率先制備出了拓撲超導材料,觀察到馬約拉納費米子的自旋特性,確定了馬約拉納費米子的存在,領先國外1—2年,為其在拓撲量子計算方面的應用奠定了科學基礎,走在世界最前沿。研制出國際上首個鈮酸鋰基可擴展集成光量子芯片,演示了糾纏光子的高效產生、高速光電調制及相應信息處理功能,芯片核心指標比硅基光子芯片高3個數量級,大大提升了量子芯片的集成度和可擴展性,展示了鈮酸鋰芯片在光量子信息處理、量子通信和量子計算方面的應用前景,引導光量子芯片特別是鈮酸鋰芯片研究成為當前國際研究熱點。

      科研團隊通過該重大研究計劃的支持,發展了國際領先的精密測量技術和方法。研發出真空紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜技術,能量分辨率達到國際最高水平(約2毫電子伏特),利用該能譜儀首次從實驗上證實了拓撲絕緣體中的自旋—軌道鎖定現象。研發出高分辨光學成像方法和技術,成像分辨率提高到前所未有的0.5納米,在國際上首次實現了亞納米分辨的單分子拉曼成像。研發出以金剛石色心作為磁量子探針的精密探測技術,把磁共振探測的靈敏度提高到單分子水平,在國際上率先實現了單分子磁共振,比傳統磁共振技術的靈敏度提升了百億倍,分辨率提升百萬倍。這些精密探測技術極大地提高了探索物質世界深層次結構及相互作用的能力,使我國在單量子態研究領域整體走在國際前列。

      該重大研究計劃的研究成果獲得國家自然科學獎一等獎2項,國家自然科學獎二等獎11項,國家技術發明獎二等獎2項,未來科學大獎1項,何梁何利基金科學與技術成就獎2項。在重要期刊發表論文共2359篇,其中《科學》19篇、《自然》3篇、《自然》子刊66篇、《物理評論快報》/《物理評論X》114篇、《美國化學會志》10篇、《先進材料》22篇、《美國科學院院刊》12篇。單篇論文他引最高1024次,單篇他引超過500次的論文有10篇。授權國內專利68項,授權國際專利3項。

      聚力視聽覺認知計算研究,爭奪人工智能制高點

      認知計算是新一代人工智能最核心的基礎科學問題,攻克視聽覺認知機理難題能極大提升計算機對真實世界的表征和理解能力,突破開發先進人工智能的技術瓶頸和障礙,發展出類人水平人工智能。

      據悉,2018年美國商務部將人工智能相關技術列入14大類關鍵技術和相關產品出口管制框架。自然科學基金委于2008年8月啟動“視聽覺信息的認知計算”重大研究計劃,提前布局人工智能前沿領域,取得了豐碩的原創成果和廣泛的技術應用,為有效應對國外對我國的技術封鎖提供了理論支持和技術保障。該重大研究計劃投入經費1.9億元,資助集成項目、重點支持項目、培育項目共97項,從人類視聽覺認知與神經機理出發,圍繞認知過程的“表達”與“計算”等科學問題,在提出新計算模型與算法、提高計算機對非結構化感知信息和海量異構信息的理解能力及計算效率、構建基于人工智能算法的無人駕駛平臺等科學問題和核心技術方面展開深入研究,取得了一系列原創成果。

      一是首次提出知覺物體的拓撲學定義,發展了“大范圍首先”(global first)的拓撲性質知覺理論,成果發表在頂級期刊《美國國家科學院院刊》上,國際同行評價其為“認知科學一塊重要基石”、“與計算視覺和計算神經科學流派分庭抗禮的最重要知覺理論之一”。

      二是建立視覺注意力統計學習計算模型和顯著性目標檢測新理論,豐富和發展了馬爾計算視覺理論,成果發表在人工智能領域頂級期刊《模式分析與機器智能匯刊》上,國際同行認為其“引領了第二次視覺注意研究熱潮”,成為用統計學習方法研究視覺注意力檢測的代表性成果。

      三是提出了功能成像腦連接建模與機器學習新方法,揭示了精神疾病的腦連接生物學標記,為研究腦認知神經機制和腦機接口技術提供了重要理論基礎,成果作為封面論文發表在國際頂級期刊《腦》上。

      四是建立了漢語語義計算理論與綜合型漢語語言知識庫,制定了漢語篇章標注規范,其成果被國家標準《中文語音合成系統通用技術規范》采納;開發了面向公共安全的一系列漢語語言交互系統,應用于我國國家安全及反恐應對等領域。同時,提出“跨媒體”新學科方向,解決了跨媒體多模態信息特征融合及視覺多模態內容檢索難題,助推了“大學數字圖書館國際合作計劃”(世界最大公益性數字圖書館之一)及“中國工程科技知識中心”的建設。

      該重大研究計劃持續推動集成創新。構建了無人駕駛集成創新驗證平臺,為研究成果走向實際應用提供了可驗證的物理載體。集成視聽覺認知計算和人工智能新算法方面的研究成果,建立了無人駕駛環境認知基礎能力測評體系。與常熟市聯合設立了我國首個智能車綜合技術研發與測試中心,推動了我國無人駕駛技術實現跨越式發展,依托該重大研究計劃已連續舉辦10屆的“中國智能車未來挑戰賽”已成為現階段國內外唯一專門的無人駕駛車輛賽事,為國內智能車相關技術研發企業和研究機構培養輸送了大量專業人才。在挑戰賽示范帶動下,陸軍裝備部2014年創辦了地面無人平臺挑戰賽“跨越險阻”,多個獲獎車隊來自本重大研究計劃的團隊。歷經10年所實現的無人駕駛測試與驗證計算框架和系統構建方法,是中國無人駕駛技術標志性進展,其成果作為焦點論文發表在頂級期刊《科學·機器人學》上。

      基于該重大研究計劃研發的腦—機接口在醫療康復、反饋訓練等領域獲得廣泛應用。研制的世界首套腦機交互空間在軌試驗平臺,應用于天宮二號與神舟十一號載人飛行任務,入選2015年“天宮二號”的16項航天醫學實驗;研制的腦控輪椅、外骨骼康復機器人等與視聽覺相關的殘疾人功能康復裝置在醫療領域得到成功應用。

      該重大研究計劃實施以來,研究團隊發表論文2255篇,其中在《美國國家科學院院刊》、《科學·機器人學》、《模式分析與機器智能匯刊》、《神經元》等頂級期刊上發表論文300余篇,ESI高被引論文35篇,相關成果獲國家自然科學獎二等獎4項、國家技術發明獎二等獎1項、國家科技進步獎二等獎2項。




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