铁流：中国科技发展的冰山一角

大参考

　　1　神威和天河超级计算机连续刷榜

　　2016年6月20日，在法兰克福世界超算大会上，国际TOP500组织发布的榜单显示，“神威·太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首，不仅速度比第二名“天河二号”快出近两倍，其效率也提高3倍。截止到今年6月份，它已经连续三次登顶榜首。

　　更可贵的是，相对于以往一些国产超级计算机采用了国外芯片，“神威·太湖之光”实现了运算系统、存储系统、互联系统、操作系统、基础库等超算的重要组成部分实现全部国产化，而且性能非常卓越，将之与美国泰坦超算相比较，优势明显：

　　就绝对性能来说，“神威·太湖之光”双精浮点峰值高达125PFlops，稳定性能为93PFlops，相比较之下，美国顶尖超算泰坦的双精浮点峰值高达27PFlops，稳定性能为17.6PFlops，“神威·太湖之光”的稳定性能是美国超算泰坦的5.2倍。

神威超算

　　就效率而言，“神威·太湖之光”整机效率高达74.16%，相比较之下，美国超算泰坦的整机效率为65.19%。一般情况下，超算性能越强，规模越大，整机效率提升就越困难，而“神威·太湖之光”在稳定性能是美国超算泰坦5.2倍的情况下，整机效率依然大幅优于泰坦，这是目前绝无仅有的！

　　就性能功耗比而言，“神威·太湖之光”的性能功耗比高达6G/W，作为对比，美国超算泰坦的性能功耗比为2.143G/W，美国超算红杉整机性能功耗比为2.069G/W，日本超算京整机性能功耗比为0.830/W，美国超算米拉整机性能功耗比为2.069G/W。从这些对比可以看出，“神威·太湖之光”超级计算机不仅性能卓越，而且非常节能省电，是一台绿色环保的超级计算机。

　　除了“神威·太湖之光”，不久前，天河2号也完成了升级。

　　由于2015年美国对中国的超算中心禁售超算芯片，影响了天河2号的升级计划，国防科大启用了备份方案，用自主设计的矩阵2000芯片取代美国的超算芯片。没想到，采用国产矩阵2000芯片升级之后的天河2A超级计算机，比原本使用美国超算芯片的天河2号性能更强——双精浮点峰值性能达到94PFlops，性能提升超过80%，位列TOP500第二名。虽然性能略逊色于“神威·太湖之光”，但已经大幅优于美国泰坦、红杉、米拉等一系列超算。

　　2　量子计算研究上与美国交错领先

　　近年来，传统经典计算机在发展中遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题，其性能增长速度已然放缓。在这种情况下，探索全新物理原理的高性能计算技术的需求应运而生。

　　量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式，基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元，通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。所谓量子位就是一个具有两个量子态的物理系统，如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子（原子）的两个能级等都可构成量子位的两个状态——晶体管只有开/关状态，也就是要么是0状态，要么是1状态，而基于量子叠加性原理，一个量子位可以同时处于0状态和1状态，当量子系统的状态变化时，叠加的各个状态都可以发生变化。

　　举例来说，1个量子位可以同时表示0和1两个状态，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态。N个量子位可同时存储2的N次方个数据，数据量随N呈指数增长。也就是说，一次演化相当于完成了2的N次方个数据的并行处理，这就是量子计算机相对于经典计算机的优势。量子计算机具有极大超越经典计算机的超并行计算能力，在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势，是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

　　近年来，中国在这项新技术上取得了一系列科研成果。

　　2015年，杜江峰院士研究组就研究出基于金刚石的单自旋固态量子计算的载体，在传统的纠错码上达到了非常高的操作精度，量子逻辑门精度达到了99.99%，其单比特门精度已经满足容错计算的需求。

　　2016年，郭光灿院士团队成功研发出基于砷化镓材料的半导体量子芯片，在纠错码的辅助下，量子逻辑门精度也达到量子计算的门槛。

　　不久前，中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等单位或公司联合研制了两台量子计算原型机，其中一台光量子计算原型机可以实现十光子纠缠操纵，这个成绩已经超过了美国保持的9个量子比特操纵记录，另一台低温超导系统的原型机也实现了10个量子比特。

　　虽然这两台原型机目前只能用于波色取样和线性方程组求解，与ENIAC（第一台电子管计算机）和TRADIC（第一台晶体管计算机）类似，距离真正通用的标准量子计算机还有一定距离，但却是人类在该领域迈出的里程碑式的一步。同时，这两台原型机在国际上也是处于领先水平的。

　　3　量子通信产业化方面领跑世界

　　如果说量子计算领域中国和美国还处于交错领先的话，那么量子通信产业化方面，中国已经领跑世界。

　　近年来，中国在量子通信领域持续发力，先后建成合肥城域量子通信试验示范网、覆盖济南市城区的济南量子通信试验网、新华社新闻大厦和新华社金融信息交易所之间的金融信息量子通信验证网、北京城域量子通信网以及上海陆家嘴金融量子保密通信应用示范网等。此外，“墨子号”量子通信试验卫星的发射和使用，以及量子通信京沪干线的建成也都展示出中国在推进量子通信产业化的雄心。

半导体量子芯片

　　正是这些技术成果让国内专家非常有底气——中国科学技术大学教授陈宇翱在全国量子力学2017年年会上表示，“中国的量子通信技术已全面领先于世界”。

　　而且，在量子通信领域，中国已经开始着手制定标准。

　　2017年6月14日，中国通信标准化协会（CCSA）量子通信与信息技术特设任务组（ST7）成立暨第一次会议在北京顺利举行，共有36家单位参与其中。这些参与者既包括国科量子、科大国盾、安徽问天这样在量子通信领域潜心多年的科技公司，也包括中国电信、中国移动、中国联通三大运营商和华为、中兴、烽火、爱立信、上海贝尔等通信行业的资深企业，以及神州数码信息服务、科华恒盛、科大国创等解决方案和系统集成服务商，中国信息通信研究院、山东标准化研究院、济南量子技术研究院、北京邮电大学、数据通信研究所、中通建设计院等标准专业机构、大学和研究院所等科研院所。

　　这些成员共同勾勒出了我国量子通信产业链的雏形。

　　如果能把中国量子通信标准做起来，并在世界范围内流行，被更多的厂商和客户使用和接受，那么国外企业就必须向中国企业缴纳专利费，这不仅是真金白银的利益，也标志着中国在量子技术领域中已经从标准战略层面超越了西方。

　　4　载人航天昂首迈入“空间站时代”

　　2016年9月15日，天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心成功发射升空。2016年10月17日，神舟11号飞船在中国酒泉卫星发射中心成功发射。2天后，神舟11号飞船与天宫二号实现成功对接。

　　值得一提的是，天宫二号上装载的世界第一台空间冷原子钟是目前在空间运行中精度最高的，约3000万年才会产生1秒的误差。其上的γ射线暴偏振探测仪将探测遥远宇宙中突然发生的γ射线暴现象和太阳耀斑，深入地研究宇宙结构、恒星演化、黑洞形成以及γ射线暴爆发的物理机制。

　　2016年9月15日，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号FT2火箭将天宫二号空间实验室发射升空。新华社记者琚振华摄

　　今年4月，天舟1号与天宫二号成功实现对接。天舟1号不仅向天宫二号输送了大量补给物质，其后所开展的多项拓展应用和相关试验也为中国空间站研制建设和运营管理积累了重要经验。天宫二号与神舟11号、天舟1号的对接和测试，对于推进我国载人航天事业的进一步发展有着承前启后的作用。

　　今年9月22日，天舟1号在完成空间实验室阶段任务及后续拓展试验后受控离轨。至此，中国载人航天工程“第二步”任务全部完成，中国载人航天昂首迈入“空间站时代”。

　　过去短短一年，长征7号、天宫二号、神舟11号、天舟1号等四次重大任务相继执行，启用生态、环保、开放的新发射场——中国文昌航天发射场，建造我国首个真正意义上的空间实验室，实现我国航天员首次太空中期驻留，发射我国首艘货运飞船，掌握推进剂在轨补加等关键技术等。发射密度之高、试验任务之重、前后跨度之长、风险挑战之大、质量要求之严，在中国载人航天史上前所未有。

　　5　北斗导航已超越欧盟、俄罗斯

　　在卫星定位这个领域，美国起步最早，在1994年就提供服务了。

　　而中国在1994年才正式启动北斗导航系统建设。但是，中国的北斗导航系统发展很快，主要经历了三个阶段：

　　第一阶段是建立北斗卫星双星定位试验系统，形成区域有源定位与导航服务能力；

　　第二阶段是完成三种轨道十余颗卫星的发射，建成区域导航系统，形成区域无源服务能力，向亚太地区提供定位、导航、授时以及短报文通信服务；

　　第三阶段是建成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的覆盖全球的北斗全球卫星导航系统，形成全球无源定位服务能力。

　　目前，中国的北斗导航系统建设已经进入第三个阶段，成为拥有自主卫星导航定位系统的国家。

资料图：北斗导航系统

　　2015年，北斗导航工程的顶层设计专家和专家组组长王飞雪受邀赴俄罗斯参加莫斯科导航论坛。在论坛上国际卫星导航界的专家感叹：中国北斗已超越欧盟的“伽利略”和俄罗斯的“格洛纳斯”了！

　　值得注意的是，在关键元器件上，中国也实现了高度国产化，像最近发射的北斗导航卫星，其部件国产化率提高到98%，像宇航级CPU等关键器部件全部为国产。到2020年，中国将完成35颗卫星发射组网，实现全球覆盖，部分性能将有望领先于美国的GPS，为全球用户提供服务。

　　以上所举技术突破或产业崛起的例子仅仅是近年来中国科学技术发展和产业茁壮成长的冰山一角。除此之外，中国在军工领域也取得了全球瞩目的成就，开发出了J20隐身战机、FC31隐身战机、055驱逐舰、新型航母等一批新锐装备。这些新锐军事装备与各种民用黑科技一起,都将不断改善人民的生活水平，保卫着人民生命财产安全。