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70年,70个瞬间 “神威”“墨子号”和“中国天眼”

2019-12-10 09:46 浏览:0

70年,70个瞬间 “神威”“墨子号”和“中国天眼” 

1949年10月1日,毛泽东主席在天安门城楼上向全世界庄严宣布:“中华人民共和国中央人民政府今天成立了。”中国历史的新纪元由此开辟。70年前的那个“今天”,积贫积弱、百废待兴;70年后的这个“今天”,国富民强、百业俱兴。共和国艰辛探索,矢志不渝,攻坚克难,谱写了壮丽史诗,创造了人间奇迹。回望70年,一个个历史瞬间让人心潮澎湃,一个个高光时刻足以彪炳史册。为此,本刊记者集体采写“70年,70个瞬间”,作为共和国70年华诞的献礼。

2016年6月20日:

“神威”初显神威的那一刻

2016年6月20日,德国法兰克福世界超级计算机大会公布了新一期全球超级计算机500强榜单,由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”运算速度夺得世界第一,成为世界上首台峰值运算速度超过10亿亿次/秒的超级计算机。更令人振奋的是,这套系统实现了包括处理器在内的所有核心部件全面国产化。

超级计算机多用于国家高科技领域和尖端技术研究,是一个国家科研实力的体现,对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义,是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

我国的超级计算机研制起步于20世纪60年代。到目前为止,大体经历了3个阶段:第一阶段自20世纪60年代末到70年代末,主要从事大型机的并行处理技术研究;第二阶段自20世纪70年代末至80年代末,主要从事向量机及并行处理系统的研制;第三阶段自20世纪80年代末至今,主要从事MPP系统及工作站集群系统的研制。

1983年12月22日,随着中国第一台每秒钟运算1亿次以上的“银河一号”巨型计算机的研究成功,我国才真正跨入超算的队伍。随后,中国的超级计算机发展经历了几个重大的突破:1993年10月,由国家智能计算研究开发中心研制的“曙光一号”超级计算机,峰值计算速度达到6.4亿次/秒,标志着我国已经达到了设计制造支持多线程机制的对称式紧耦合并行机的世界先进水平。

2009年10月29日,由国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机,峰值计算速度达到1206万亿次/秒,是我国首台千万亿次超级计算机。2013年6月,由国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机,峰值计算速度达到5.49亿亿次/秒,成为当时全球计算速度最快的超级计算机。

2015年4月9日,美国禁止向中国4家国家超级计算中心出售高性能计算芯片。当时的禁售在短期内可能造成“天河二号”升级计划拖延,但从长期来看“是倒逼中国推进超算国产化战略的重要机遇”。

以美国为首的西方国家对我国进行技术封锁,更加激发了我国自主研发超算的决心。2015年底,“神威·太湖之光”完成了研发工作。与此前“天河二号”使用的是英特尔至强处理器和Xeon Phi协处理器不同,“神威·太湖之光”首次使用的是“中国芯”。这块“中国芯”就是5厘米见方的薄块“申威26010”,它集成了260个运算核心、数十亿个晶体管,达到了3万多亿次/秒的计算能力。

“神威·太湖之光”是世界首台峰值运算速度超过10亿亿次/秒、并行规模超千万核的划时代的新型超级计算机。“神威·太湖之光”的计算能力相当于2000多万台普通的笔记本电脑,主存储量相当于780个国家图书馆的藏书量。这套系统1分钟的计算能力,相当于全球72亿人同时用计算器不间断地计算32年。

2016年11月18日,中国科学家基于“神威·太湖之光”的应用成果首次荣获“戈登·贝尔”奖,实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破。2017年11月17,中国科学家基于“神威·太湖之光”的“非线性大地震模拟应用”,再次荣获“戈登·贝尔”奖。此外,“神威·太湖之光”还先后4次在全球超级计算机TOP500中夺冠。

(“戈登·贝尔”奖设立于1987年,由美国计算机协会于每年11月在美国召开的超算领域顶级会议上颁发,旨在奖励时代前沿的并行计算研究成果,特别是高性能计算创新应用的杰出成就,被誉为“超级计算应用领域的诺贝尔奖”。)

“神威·太湖之光”主要服务于国家重大科技项目,如国产C919大型客机的精细数值模拟、天宫一号陨落路径预测计算等课题,同时也十分重视服务产业创新。目前,有上百家单位与国家超级计算无锡中心签订合作协议,超过100个重大应用在“神威·太湖之光”上进行运算,范围涉及气候气象、航空航天、工业设计、油气勘探、信息安全、金融分析、生物医药、海洋科学等多个领域。

例如,国家超级计算中心和远景能源合作开展“格林威治智慧风场”项目,国家超级计算中心基于自身超强的运算能力、专业的技术人员等为远景能源提供包括风资源预测、风场精细选址、风机建造等在内的一整套生命周期服务。

又如,2017年“神威·太湖之光”的获奖应用——“非线性大地震模拟应用”由清华大学、山东大学、国家超级计算无锡中心、南方科技大学共同研制完成,它突破了机器本身内存和带宽的限制,精巧的设计和高速压迫数据的传输模式,首次成功地实现了对唐山大地震过程的精准模拟。这一过程对于科学家了解地震的发生和传播规律具有重要的意义。

再比如,运用“神威·太湖之光”进行超大规模电磁仿真计算。该课题研究以“神威·太湖之光”超级计算机等高性能计算平台为基础,计算各类目标的电磁散射和辐射特性,所开发的超大规模高阶矩量法达到国际领先水平,服务于中国航天、中电集团等20多个机构,应用于预警机等重大工程。(本刊记者)

2016年8月16日:世界首颗

量子科学实验卫星成功发射的那一刻

2016年8月16日1时40分,由我国自主研制的、世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉用长征二号丁运载火箭发射升空。此次发射任务的圆满成功,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步:“墨子号”一举突破了光量子的传输距离难以突破百千米级这一瓶颈,开创了利用卫星千千米传送量子信息的先河。“墨子号”的成功发射,意味着我国量子通信技术已跻身全球领先地位。

为什么要发展量子通信技术

古往今来,人们对于信息加密的探索从未停止。科学发展到今天,基于计算复杂性的传统加密技术被破译的可能性与日俱增。量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆,所以能保证加密内容不被破译,可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。

我国基于光纤的城域和城际量子通信技术已走在世界前列,并在近几年走向实用化和产业化。但是,由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性,点对点光纤量子通信的距离难以突破百千米量级。因此,要实现广域乃至全球化的量子通信网络,还需要借用卫星的中转。“墨子号”正是在这种大背景下应运而生的。

“墨子号”完成了三大科学任务

“墨子号”自上天以来,在国际上第一次成功实现了千公里级的星地双向量子通信,圆满完成了星地量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务。

星地量子纠缠分发是“墨子号”的三大任务之一。量子纠缠实验非常难做,连爱因斯坦都感觉头疼,称它为“鬼魅般的超距作用”。由于量子纠缠非常脆弱,以往的量子纠缠分发实验只停留在百千米的距离。这种“鬼魅般的超距作用”在更远的距离是否仍然存在?会不会受到引力等其他因素的影响?中国的“墨子号”卫星实现了超越,成功在太空中进行了量子纠缠实验。“墨子号”进行的太空量子纠缠实验仅仅比量子地面通信衰减了万分之一。

量子密钥分发是“墨子号”的另一个科学任务。“墨子号”卫星同河北省的地面量子接收建立起通信联络线路。从“墨子号”轨道到地面1200千米的距离进行传输,星地量子密钥的传输效率比地面的光纤传输效率高出1万万亿倍。此外科学家利用“墨子号”卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离达7600千米的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

量子隐形传态是“墨子号”的第三个任务。量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。卫星过境的时候与海拔5000多米的西藏阿里地面站建立光链路。阿里地面光源以每秒8000个量子隐身传态示例,向墨子号传输光子。实验的距离从500千米到1400千米,整个实验取得了99.7%的成功。

星地量子纠缠分发和量子隐形传态的实现,使人们可以利用量子纠缠所建立起的量子信道,构建起量子信息处理网络的基本单元,同时也为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定可靠的技术基础。

量子密钥分发的实现,为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的技术基础。以此为基础,将卫星作为可信中继,可实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外,将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

我国成功实现了洲际量子保密通信

2017年9月29日,世界首条量子保密通信干线“京沪干线”与“墨子号”进行天地链路,我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。建成后的“京沪干线”,连接北京、上海,贯穿济南和合肥全长2000余千米的量子通信骨干网络,并通过北京接入点实现与“墨子号”的连接。

“京沪干线”全线路密钥率大于20千比特/秒,可满足上万用户的密钥分发业务需求,已实现北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐南山地面站和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议。

我国量子通信未来发展前景

“墨子号”卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平的提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

此外,量子通信将改变我们的生活。“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟认为:量子通信开始会应用于国防、金融、政务、科学研究等领域,但之后会在大众中广泛应用。量子通信的应用前景,就像电话的普及过程一样,将逐步深入到千家万户。未来,每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片,银行转款、电子账户等的涉密操作,再不用担心被盗用和被攻击。(本刊记者)

2016年9月25日:

“中国天眼”落成启用的那一刻

2016年9月25日,中国500米口径球面射电望远镜(FAST)在贵州省平塘县克度镇的大窝凼落成启用。FAST的意义正如习近平总书记为此发来的贺信中所指出的:天文学是孕育重大原创发现的前沿科学,也是推动科技进步和创新的战略制高点。500米口径球面射电望远镜被誉为“中国天眼”,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。

FAST借助一个天然的圆形岩溶坑建造,主体是一面巨大的反射镜,由4000多块反射面单元拼装而成,其边框为周长1.5千米的环形钢梁,6000多根钢索依托钢梁悬垂交错,编织成一张可移动变化的网,用以支撑FAST巨大的反射镜。这个反射镜的总面积约25万平方米,相当于30个足球场的总和。

从1994年我国天文学家南仁东提出构想到FAST最终建成,经历了22年时间。单单为FAST这口“大锅”找到一个合适的安放地点,科学家前前后后就花了十多年的时间,最终定点在大窝凼——一处天然喀斯特洼地。FAST工程2011年3月正式开工后,在圈梁钢结构安装、索网制造与安装、馈源塔制造与安装、馈源舱安装调试、综合布线等工程建设过程中,技术和施工人员攻坚克难,创造出一个个工程上的亮点和奇迹。

“时代楷模”“天眼巨匠”——南仁东

FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。其技术难度不言而喻,需要攻克的技术难题贯穿索网的设计、制造及安装全过程。仅以高应力幅钢索研制为例,FAST工程对拉索疲劳性能的要求相当于规范规定值的两倍,国内外均没有可借鉴的经验或资料作为参考。其研制工作经历了反复的“失败—认识—修改—完善”过程,最终历时一年半时间才完成技术攻关,最终成功地在FAST工程上得到应用。随着索网诸多技术难题的不断攻克,形成了12项自主创新性的专利成果,其中发明专利7项,这些成果对我国索网结构工程水平起到了巨大的提升作用,也将应用到国民经济的其他领域。

FAST最令人惊叹的奇迹自然就是它的灵敏度了,它能探测百亿光年之外的射电信号,能精确探测宇宙中的物质成分。构成FAST球面的几千面主动反射单元,每个单元都可进行对焦,因此灵敏度相当于美国阿雷西博望远镜的两倍多,巡天速度是它的10倍,而且由于可以转动,能够扫描更广阔的天空。这些独到之处,使FAST成为目前世界单口径射电望远镜的“霸主”,并将在未来一二十年保持世界一流的地位。

2016年9月25日,FAST落成启用,开始接收来自宇宙深处的电磁波。仅仅一年之后,就交出了首张“成绩单”,使得中国望远镜在寻找新脉冲星的竞技场上实现“零的突破”。

FAST探测到数十颗优质脉冲星候选体,有两颗通过国际认证。其中首颗被认证的新脉冲星,就是中国射电望远镜发现的第一颗新脉冲星。自那以后,FAST已经找到55颗被证实为新发现的脉冲星。更值得一提的是,2018年2月27日,FAST通过跟踪伽马射线点源,首次发现了一颗毫秒脉冲星,然后又通过FAST与费米伽马射线卫星大视场望远镜的国际合作证实了此次新发现。同年4月18日,FAST首次发现的毫秒脉冲星得到国际认证。

搜寻和监测射电脉冲星是FAST的核心科学目标。银河系中有大量脉冲星,但由于其信号暗弱,易被人造电磁信号干扰淹没,目前只观测到它们中的一小部分。具有极高灵敏度的FAST望远镜是发现脉冲星的理想设备。

因发射周期性脉冲信号而得名的脉冲星,其本质是由恒星演化和超新星爆发而产生的中子星。研究脉冲星,可以加深我们对于自然界当中引力、强力等基本相互作用的理解,并且脉冲星也是探测宇宙极低频引力波的工具。尤其是那些周期又短又稳定的毫秒脉冲星,稳定度比目前的氢原子钟还要高万倍以上,被誉为自然界中最稳定的天文时钟。精准的时钟信号是为航天器导航的必要前提,因而毫秒脉冲星也被称作人类星际航行的“灯塔”。毫秒脉冲星也正是FAST重点搜寻的对象。

此外,科学家还期待通过强大的FAST观测到一些难得一见的脉冲星“珍品”,比如双星系统里的脉冲星。对单个脉冲星而言,测定其质量很困难,但在双星系统里,就能利用轨道等信息测定其质量。还有,迄今发现的脉冲星都存在于银河系之内,银河系之外的其他星系是否也有脉冲星?它们又有什么特别之处呢?

FAST有能力在河外星系中寻找脉冲星,为我们解开这个谜团。凭借FAST强大的寻星能力,能为我们建立一个脉冲星计时阵,为脉冲星自主导航和引力波探测打下坚实的基础。

不只是寻找脉冲星,FAST还将探寻早期宇宙的蛛丝马迹——中性氢云团的辐射。中性氢云团是宇宙中未被引力塌缩成恒星的氢原子气体,通过观测中性氢辐射,能获知星系之间互动的细节,还可能发现早期宇宙中刚刚形成的氢原子的分布状态,帮助科学家更精确地描绘出早期宇宙的图景。

FAST还是人们研究类星体、黑洞之谜的有力武器,搜寻系外宜居环境以及潜在智慧生命的重要设施。借助这个超级“天眼”,人类的视线可以延伸到宇宙深处,人类对宇宙的认知能力也将不断被带向新的高度。

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