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近些年，中国在科学技术上的突破举世瞩目。近日，Nature盘点了中国在太空探索、纳米催化和量子计算方面的进展，并表现出了极大的赞赏，其中某些领域已经超过了美国，成为世界的领导者，不过在更多方面我们仍然需要努力！

   

▲中国顶尖研究人员将目光投向了新领域，在量子科学、空间探索和纳米催化等竞争激烈的领域争夺全球主导地位时，设定了崇高目标

随着中国在全球竞争中采取重大举措，中国的航天和粒子纠缠研究人员正在收获大量投资的回报。在新兴和备受追捧的纳米催化领域，中国科学家正在稳步前进。

在太空竞赛中爆发

加拿大不列颠哥伦比亚大学天文学家Sun Kwok说，中国多年来一直在太空追赶，但一步一个脚印，它正在取得长足进步。“进步程度简直令人难以置信。”

Sun Kwok说，直到最近，中国在太空领域的科学成功一直“相对温和”，部分原因是它长期以来一直专注于掌握航天的技术方面。2018年，当中国开始其系列月球任务中的第四次，嫦娥四号时，它已经发射了数百颗卫星、两颗轨道空间实验室和几次载人飞行，但尚未在美国和俄罗斯历史上占主导地位的领域留下印记。

   

▲在嫦娥五号探测器着陆点，研究人员检查一个载有月球土壤和岩石的胶囊

然而，这项任务取得了其他航天国家以前从未做过的事情：它成功地将航天器降落在月球背面，之所以如此，是因为它永远隐藏在地球视线之外。中国科学院北京国家天文台副所长李春来说，进入月球背面非常困难，因为月球会阻止所有无线电信号，阻碍了航天器和地球之间的通信。他说：“我们必须发射一颗中继卫星来保持连接。”

来自玉兔二号的数据首次观测了月球南极-艾特肯盆地冯·卡曼撞击坑表面以下的化学成分。该盆地直径2500公里（约中国宽度的一半），向下延伸超过8公里，是月球最大、最深和最古老的特征，被认为是古代撞击的结果。2019年，李和他的同事在Nature杂志上描述了玉兔-2的一些最早观测结果，这是李自2007年发射嫦娥一号以来为中国月球任务做出贡献的数十篇论文之一。李说：“过去几年，中国天文学的发展取得了巨大进步。”

中国的太空计划继续获得动力。2020年12月，嫦娥五号带着40多年来收集的首批月球样本返回地球。本月早些时候，作为“天问一号”任务的一部分，中国成功地在火星上着陆“祝融”号火星车。“天问一号”的目标是提供火星大气、表面和地下的新信息，帮助科学家拼凑火星的气候和地质历史。

Kwok说，这一行动对国际科学界来说令人鼓舞，特别是现在中国正在采取措施向外国学者开放其空间设施。2021年3月，中国宣布其500米口径球面射电望远镜（世界上最大的单盘射电天文台），中国境外的天文学家可以访问，这是值得欢迎的，因为世界上最大的此类设施，波多黎各的阿雷西博天文台，在三个月前不幸地坍塌了。中国还计划向国际研究项目开放其新空间站，其第一个模块于4月发射。如果按计划于2022年底完工，它将和国际空间站成为轨道上仅存的全面运行的空间站。

该空间站旨在一次容纳三名宇航员，为期最长六个月，这表明中国不仅希望访问太空，而且希望为在那里的长期任务提供便利。即将进行的嫦娥6至8号任务旨在为月球南极的基地奠定基础，这可能与俄罗斯合作建造，该基地将为宇航员提供住房，并作为更深入空间探索的部署地点。美国宇航局也同样提议建造一个名为Artemis大本营的月球研究站，尽管这两个计划都没有明确的时间表。

   

▲中美在10个主要领域的对比

总部位于阿拉巴马州蒙哥马利的空间政策独立学者 Namrata Goswami说，中国将关键通信卫星送入地球轨道，快速向太空扩张带来的国家安全和经济优势是人们的首要考虑。去年，它发射了北斗导航网络的最后一颗卫星——相当于美国的全球定位系统——它声称是世界上第一颗6G卫星。Goswami说，中国在太空方面的目标是崇高的，但并非不切实际。如果它的火星任务成功，它将证明它的能力已经超过俄罗斯，仅次于美国，她说。“中国在太空方面已经变得非常有野心。”

纳米催化研究提速

利用超细纳米颗粒来提高化学反应速率的纳米催化已成为中国最活跃的研究领域之一。纳米催化剂由金等金属以及氧化物、碳和各种化合物制成，具有推动可再生能源技术、生物燃料、净水和化学生产重大进步的潜力。在过去的二十年里，纳米催化剂一直是越来越多的科学论文的焦点，特别是在中国。

北京清华大学纳米科学家李亚栋说：“当纳米催化研究在国际上兴起时，中国科学家已经在纳米材料合成方面发展了出色的技能。”“对于我们许多人来说，进入这个充满希望的领域是很自然的。”

李和同事开发了几种新的纳米催化剂设计。2019年，他们描述了他们的高活性“纳米网笼”催化剂如何缩小到0.1纳米宽，大约相当于单个原子的大小。这允许在化学反应中使用更多的催化剂，以进一步加快反应过程(Z. Zhuang et al. Nature Commun. 10, 4875; 2019)。他们正在开发纳米笼在太阳能和风能转化为氢能上的应用。

   

▲“纳米网笼”催化剂形成的结束阶段

中国在化学领域的实力占该国自然指数总份额的一半以上，使其在追求纳米催化和其他纳米技术方面具有显著优势，近年来这一领域发展迅速。根据Nature出版商斯普林格·自然和中国科学院（CAS）2019年发表的一篇联合论文，全球发表的纳米科学相关文章数量从1990年的不到1500篇增加到2018年的20.5万多篇，该论文从数字科学的出版物、赠款和临床试验数据库《自然指数和维度》中提取了数据。2011年，中国在纳米科学出版方面超过美国，成为全球领先者，2018年，在自然指数跟踪的82种高质量期刊上，在纳米相关研究中，中国超越美国。

每年，从事纳米催化工作的科学家在300名“杰青”中占据突出地位，他们从中国国家自然科学基金会获得200万至400万元（308,947-617,894美元）的基金。苏州大学的纳米科学家李彦光说，获得资金和先进设施激励了中国纳米催化领域的新星在国外度过一段时间后继续在国内进行研究。“许多中国科学家在回国前成为海外纳米催化的先驱。”

   

▲中美在自然指数中的对比

李彦光说，纳米催化作为一个新兴的研究领域，为科学家提供了一个做事情的机会。但一些研究人员担心，纳米催化研究投入的过度关注和资源可能会阻碍中国其他化学领域的进展。天津南开大学化学教授赵东兵说：“化学中的一些经典问题，如某些基本化学品的合成机制，正在被忽视。”“学习这些需要很多年，我们冒着落后的风险。”

编织纠缠之网

自2016年中国发射世界上第一颗量子卫星“墨子号”以来，中国一直寻求将自己定位为量子研究的领导者，量子研究领域旨在利用原子水平上物质的特殊性质。这颗卫星由中国科大物理学教授潘建伟领导的团队运营，首次使量子密钥可以进行远距离分发——这项技术可能造就不可黑客入侵的全球通信。

量子安全通信使用量子纠缠粒子，这是一组粒子，不能根据某些物理和行为属性相互独立描述，即使在物理上相距很远时，它们也作为一个系统发挥作用。2017年，“墨子号”允许量子纠缠粒子作为加密密钥传递给维也纳和北京附近地面站的研究人员，相距约7400公里。该活动是世界上第一次量子加密电话会议。

“墨子号”帮助中国这个新兴领域的相对后起之秀，出现在量子科学地图上。2020年6月，潘和团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了一项进一步加强超过1120公里范围内通信安全的实验(J. Yin et al. Nature 582, 501–505; 2020)。美国、英国、日本和印度等国家正在竞相开发同类技术。

   

▲潘建伟在USTC的实验室

量子科学具有赋予重大军事和经济优势的潜力，已成为一场数十亿美元的竞赛，中美两国是主要竞争对手。这是中国最新五年计划的一个关键重点领域，该计划于2021年3月批准，这是一份社会和经济蓝图。潘在中国媒体上经常被称为“量子之父”，他鼓励看到国家级对该领域的支持。他说：“我们希望......在未来五年里，我们能够在大规模量子通信、可扩展量子计算和模拟以及量子计量（在高精度测量中使用量子技术）领域取得重大突破。”

美国还在3月份申明致力于量子研究，在一份关于国家安全的官方声明中强调，需要“重新投资于保持我们的科学和技术优势，并再次领导人工智能和量子计算等新兴技术”。在包括IBM、谷歌和微软在内的科技巨头的大量投资下，美国显然是量子计算领域的领导者，量子计算是该领域最受瞩目的部分。根据《华盛顿邮报》根据市场研究公司Patinformatics的数据，尽管2018年中国在量子技术专利申请数量几乎是美国的两倍，但美国在量子计算相关专利方面处于显著领先地位。

但中国在量子计算方面的努力正在迅速获得势头。2020年12月，潘和同事陆朝阳领导的团队声称是世界上最第一个可靠地证明量子优势胜过经典计算的团队。量子优势是通过在使用量子位作为信息载体的量子系统上进行计算来实现的，而使用二进制的经典超级计算机不可能完成计算。中国的量子计算机“九章”在200秒内进行了计算，超级计算机需要25亿年才能完成。这对位于加利福尼亚州圣巴巴拉的谷歌量子计算实验室的研究人员来说是一个直接的挑战，他们一年前曾使用他们的Sycamore量子系统做出了类似的声明。

科大和谷歌量子系统有局限性，评论家说，目前还不清楚Sycamore解决的问题是否真的超出了传统机器的能力，而九章不容易重新编程来解决多个问题，陆朝阳说，他们正在努力解决这个问题。“我们希望在今年年底前将我们的实验升级为完全可重新配置。”

陆说，“人们往往不切实际地期望量子计算将推动计算所有方面的革新。相反，他们应该考虑这是否是一项好投资。” “我最好的猜测是，在未来五年左右，量子计算将首先成为科学家的有用工具，如激光。然后，在接下来的十年里，它可能会发现一些商业用途的小规模应用。”（转自 微算云平台 微信号）

链接：https://www.nature.com/articles/d41586-021-01405-0