來源：浙江在線-浙江日報 記者 嚴粒粒 見習記者 涂佳煜 通訊員 陳航 周立超
高鐵讓地理距離不再遙遠，朝發便可夕至；智能手機讓人際聯系更為便捷，天涯不過咫尺……不斷更迭的科技，正為我們的生活，以及觀察世界的方式，提供著極大的便利和可能性。
本周，之江實驗室舉行了成立以來最大規模的集中科研成果發布會，面向公眾重磅發布了十余項科研成果。探索科學研究新范式的智能計算，引領世界前沿的基礎研究，破解“卡脖子”難題的核心器件與裝備……這些重要領域，乍一看有些晦澀，走近后，你會發現它們的價值所在。
極弱力測量科學裝置
追尋感知力極限
如果說，人與人的相愛，是靠一股吸引力在牽引，文學家可能會感嘆，這股力源自兩個靈魂的默契；而科學家此時或許會跳出來，以嚴謹的態度表明——這股力一點也不玄乎，甚至還可以被測量。
“只要是有質量的兩個物體，相互之間就會產生引力。如果兩個成年人正好站在地球相對應的兩端，那么他們之間所產生的引力大約是9*10-21N。科學裝置能夠穩定測量出比上述情形還要小的力。”之江實驗室量子傳感研究中心副主任高曉文說。
他口中的科學裝置，便是之江實驗室發布的新一代極弱力測量科學裝置。
這臺由之江實驗室牽頭，聯合浙江大學共同設計研制、具備完全自主知識產權的科學測量儀器，具備了力分辨率達4.2*10-23N、力靈敏度達4.3*10-21N/Hz1/2的極弱力測量能力。經過與目前全球相關領域的公開指標對比以及專家驗收測試，該裝置的核心性能指標，已居全球最高水平。
我們為什么要測量力？
“力是描述客觀世界物質相互作用的最基本物理量。提升力精密測量的能力，能為人類不斷探索科學規律、認知客觀世界提供有力的科研利器。” 之江實驗室極弱力測量科學裝置項目負責人、之江實驗室特聘專家胡慧珠說。
的確，測力的精密水平，能讓我們觀測到不一樣的世界。比如，在原子力顯微鏡把物體放大10億倍的視野里，我們能直接感知到極微弱的原子間相互作用力。科研人員從而能夠在比一粒鹽小幾千倍的尺度上描繪出一種材料的孔、突起和特性。
并且，當前世界科學界最熱門的幾個話題，都離不開對力的研究。比如，當我們抬頭，把目光投向宇宙空間，有更多看不見、摸不著的物質，讓科學家們無從下手研究。觀察它們，便可以它們之間能產生的極微弱的力著手。
2015年，LIGO（激光干涉引力波天文臺）首次探測到一個來自宇宙的引力波信號。它那長達四公里的探測臂微微移動了一個質子直徑的萬分之一尺度。因為這一事件，LIGO項目的三位組織者獲得了諾貝爾物理學獎。我們是否還能再次靈敏地探測到如此微弱的引力波，去印證宇宙起源是一場大爆炸？
此外，暗物質被認為占宇宙中所有物質的大約85%，從未被直接觀察到，并且仍然是現代物理學中最大的未解之謎之一。科學家們懷疑它的存在，是因為它對宇宙中物體的引力效應。我們能否感知到這大量看不見的物質，從而解釋為什么星系會這樣旋轉，宇宙為什么會越來越膨脹？
這些都是項目團隊希望去幫助解答的問題。“暗物質、暗能量、引力波的探測和檢驗是宇宙物理學的重大命題。因此我們希望這臺極弱力測量科學裝置，能夠在相關領域得到應用，為相關研究做出貢獻。”胡慧珠透露，近期，他就將趕赴國內相關領域優勢單位作學術交流。在那里，一個探測引力波的大型裝置正在建設之中。
相比處于研究初期的量子計算和量子通信，這臺科學裝置所依托的量子傳感是量子技術中較為成熟的子類別，實際應用場景豐富。不止支撐科研，項目團隊圍繞國家重大任務和產業應用需求，不斷拓展裝置的應用領域。
在項目團隊看來，極弱力測量科學裝置不是一顆“蛋”，吞下去就完了。它更像是一只去孕育更多成果的“雞”。“基于力學量的精密測量，能夠構建具有廣泛應用前景的智能傳感器。”胡慧珠介紹，“比如礦產探測就是一種有效應用”。
在沒有探測器的古代，人們對礦藏的勘測源于經驗。如《管子》中寫到：“上有丹沙者，下有黃金。上有慈石者，下有銅金。上有陵石者，下有鉛錫赤銅。上有赭者，下有鐵。”當然，經驗主義難免失敗。當力的探測達到足夠精度的時候，探礦的準確度就大大提升。
“物質之間是有引力作用的。如果地下存在空洞，或者有密度較高的礦的時候，地表的重力加速度會發生變化。我們的智能傳感器能感知微小到小數點后第七位的力的變化，并描繪出礦藏的地下分布情況。”胡慧珠舉例，除了礦產勘探，根據裝置原理能設計出地球重力儀，用于服務地質勘探、災害預警等現實場景。
極弱力測量科學裝置對力的測量基于光動量效應，通俗理解起來，便是用光束之間產生的引力作為“鑷子”，“夾住”極微小的粒子做測量。科學家認為，該裝置還有進步空間，目前4.2*10-23N的力的分辨率只是一個階段性成果。
“說是‘測量’，其實更核心的是‘控制’。”胡慧珠強調，光束控制的穩定程度與力的測量環境程度正相關。項目組把實驗環境進行全方位的隔振降噪處理，隔振基座甚至被埋在地下17米的深處，就是為了排除干擾。“理論上，如果進一步加強對光的控制，我們對力的捕捉精度還能提升7到8個量級。”
合作，永遠是推動科學進步的關鍵因素。在成果發布的當天，項目組還上線了一個開放分享的網站。“我們希望為國內外的前沿理論科研提供幫助，也為提高自身多一分可能性。”胡慧珠說。
智能計算數字反應堆
讓算力像電力一樣好用
“算力”即電子設備的計算能力，小到手機、電腦，大到超級計算機，都需要算力支撐其軟硬件的正常運行。步入大數據時代，算力成為數字經濟發展的基石，算力需求爆發式增長，這一新型基礎設施的普惠建設也愈發重要。
然而，當下算力資源的“異構性”特征引發了不少問題。采用不同技術實現的計算能力，往往具備不同的系統架構、指令集等。用戶在使用算力執行任務時需要適配不同的算力軟硬件，甚至還要為此專門編寫軟件，不僅使用不便，還產生了大量算力資源浪費。
為了高效利用規模化算力，支撐各領域的計算需求，之江實驗室智能計算數字反應堆應運而生。為協同調度算力和算法，數字反應堆“之江瑤光”智能計算操作系統于去年10月啟動建設，目前已發布1.0版本，進入了測試階段。
人工智能技術是“之江瑤光”的核心，以強大智慧，在用戶和算力之間“牽線搭橋”。它“包羅萬象”，通過一個“資源連接器”，聚合高性能計算集群、智算集群、智能超算等算力資源，其中不乏“之江天目”異構智能計算機、“之江之光”智能超算機等國內新型計算集群，目標聚合損耗低于10%，算力近線性疊加。它又“運籌帷幄”，按策略對數據進行編排調度，把數據高效傳達計算集群和節點，讓每臺智算機物盡其用，協同整合算力可達10EFlops（每秒1000億億次浮點運算）。
“‘之江瑤光’是一個易用性很強的通用計算平臺。”數字反應堆總架構師潘愛民評價道。這不僅得益于它雄厚的算力基礎設施，還離不開平臺配備的如科學計算、人工智能算法、大數據算法框架、開源科學計算庫等各類算法框架。它們面向不同計算任務，避免了用戶的重復開發和不兼容問題。
“瑤光者，資糧萬物者也”。基于數字反應堆，天文、制藥、育種、材料、基因五大“應用堆”開枝散葉，與智能計算深度融合。數字反應堆對五大平臺的“資糧”，一方面在根據已有算法庫，為科研人員提供“零代碼一鍵部署”服務，另一方面則能幫助他們根據需要進行低代碼自建，即以最少的手動編碼創建出功能強大的應用。而隨著更多領域的自研算法被引入，“之江瑤光”的算法模塊也得到了豐富和擴張。
“我們的首批應用賦能科學研究，未來基于之江瑤光操作系統以及之江實驗室的算力基礎設施，能夠支持各領域用戶建設相應的領域計算平臺。”潘愛民說。
數字反應堆提供的智能算法與基礎科學的第一原理性碰撞，“裂變”出巨大能量。實驗無法窮盡的排列組合、方程無法解析的復雜系統，都能在人工智能的協助下一一破解。潘愛民認為，智能算法為科研提供新的工具，拓寬思路，提高效率，從某種意義上說，更有可能催生出數據與領域知識相結合的科學研究第五范式。
“五大平臺均誕生了突破性研究成果，無疑是對當下大熱的科學智能理念的成功探索。”潘愛民說。
比如，今年6月，之江實驗室科學家團隊發現了首例持續活躍的快速射電暴，相關成果發表于《自然》雜志。基于“之江瑤光”形成的FAST@LAB智能計算天文平臺的作用功不可沒。該平臺實現了中國天眼FAST數據實時的接入數字反應堆，運用深度學習目標檢測算法挖掘觀測數據，規模化天體輻射現象，還建立了唯一提供動態圖譜和完整物理參數的快速射電暴知識庫，引領著國際宇宙“時間前沿”瞬變天體物理研究。
又如CERESLAB智能計算育種開放平臺，以“計算選優”代替了傳統的“試驗選優”。通過現有的基因、分子、環境和表型等多模態、多尺度海量數據集，建立了基于深度學習的精準預測模型，借助基因編輯與合成生物學等先進技術，實現了智能、高效、定向培育新品種。目前，平臺已經在中科院東北地理與農業生態研究院、中國水稻研究所開展應用。
算力、算法、數據是驅動人工智能發展的三駕馬車。下一步，“之江瑤光”還將強化“云邊協同”，除對數據中心“云”的建設外，打造智能數據采集的“邊緣平臺”。潘愛民介紹：“我們已經在智能育種領域展開實驗，在集裝箱溫室中裝配傳感器，自動提取作物特征，采集的數據與數字反應堆完全打通，可以自動進行后續計算。”
數字反應堆的生態圈將持續擴大，聚合更強算力，布局更廣領域，向“讓算力像水電一樣，隨時隨處可得”的美好愿景進發。
高通量納米激光直寫裝置
突破三維微納加工技術
以光子芯片為代表的未來技術領域，需要進行三維、復雜、大面積的微納結構加工。然而，光刻技術一直被認為是擋在我國芯片產業發展道路上的巨石。
之江實驗室高通量納米激光直寫技術及裝置，就是奔著解決這一矛盾難題而去。目前，該團隊正在之江實驗室特聘專家劉旭、匡翠方的帶領下，致力于提升激光直寫“雕刻”的精度和速度，讓斑點中的“世界”更復雜精妙。
所謂“光刻”，是利用光“刀”在特殊材料上雕刻圖形。從類別上來看，投影式光刻是當下芯片加工的主要方法。它是一種在光照作用下，借助光刻膠將掩膜版上的圖形轉移到硅材料芯片上的技術。這有點類似于“膠片相機用底片洗照片”過程——刻有精密圖形的掩膜版便是底片，芯片就此批量生產。
投影式光刻是目前能實現的精度與效率最好的光刻手段。但是，有沒有可能把目前的“最好”推向更好？
“投影式光刻的缺陷也是明顯的。它只能刻二維結構，無法滿足當下新的發展需求。此外，所需關鍵材料——掩膜版不僅價格極為昂貴、工藝復雜、制作周期長，并且關鍵制備技術也‘卡’在他國手里。” 之江實驗室高級研究專員丁晨良博士透露，“而有時候，實驗用芯片并不需要批量生產，何必浪費資源去開發掩膜版”。
讓我們以“價格”為切入，更直觀地看清使用掩膜版的“代價”。芯片在制造過程中，要經歷多次曝光，每一次曝光都要更換不同的掩膜。隨著光刻掩膜版層數增加，成本自然是隨之增加。在16到14納米精度的芯片制程中，所用掩膜成本在500萬美元左右，到7納米時，掩膜成本迅速升至1500萬美元。
于是，團隊把目光投向另一種光刻方式——具有圖形可自定義、可三維打印兩大優勢的激光直寫。“簡單來說，便是拋棄掩膜版，利用激光，直接在芯片上雕刻精密結構。這讓芯片的研發周期更快，保密性、自主化程度更高。”丁晨良解釋。
雖然激光直寫加工方式靈活，但也有相對精度低、效率相對不足、穩定度相對不夠三大缺陷。
研究團隊經過兩年多的攻關，成功研制了多套多通道激光直寫裝備。其中，十通道激光直寫系統，突破了邊緣光抑制、十通道特異性調控、3D暗斑調控、光束防漂移、差分定焦鎖焦等一系列關鍵技術，能夠讓激光直寫光刻技術實現“高分辨、高通量、高穩定”的性能優勢。
目前，這一技術已經能夠實現20到50納米精度的光刻。而50納米以下的精度，足以覆蓋80%電子產品所用芯片。在速度方面，十通道直寫系統代表可以實現10道激光同時雕刻，這意味著雕刻速度可以提升10倍，達到100米每秒的刻寫通量。以往以“天”計的激光直寫時間單位，就此可以縮短至“小時”。
激光直寫對光刻膠材料性能的要求很高；同時，光刻膠制備技術長期被日本企業所壟斷。“現有材料對激光的敏感度還不夠，這意味我們需要使用更高能量的激光來雕刻。但是能量越高，光刻的精度就會衰減。” 丁晨良介紹，為此，研究團隊還特意自主研發了一種適配于所有光刻種類的全新光刻膠。“經過與在目前直寫領域廣泛應用的一種膠對比，我們新研發的光刻膠整體性能與其不相上下。尤其在剛性參數上表現更強。”
好的科研成果不能捂在手，廣泛的應用才能惠及社會。據悉，目前，團隊研發的新型光刻膠已經實現批量生產，高通量納米激光直寫裝置也已經生產出不止一臺樣機，可讓有需要的科研等領域相關機構使用。
論及未來應用，激光直寫技術的應用邊界，甚至超越它的初衷。例如，丁晨良透露，團隊正在和國內某三甲醫院合作，探索利用相關技術，實現生物組織結構的3D打印。此外，激光直寫光刻三維加工能力的優勢，也將為AR、VR等智能感知領域貢獻更多新型納米感知器件，有力推動相關技術的發展。
