北大轉角氮化硼光學晶體作為2024中關村論壇10項重大科技成果之一發布
量子云算力集群綜合指標進入國際第一梯隊，世界上已知最薄的光學晶體產出，全球首個通用人工智能系統原型亮相……4月25日，在2024中關村論壇年會開幕式重大成果發布環節，10項重大科技成果集體亮相。
在光電信息領域，多項重大“芯”成果集中得到展示。國際首個全模擬光電智能計算芯片在智能視覺目標識別任務方面的算力，是目前高性能商用芯片的3000余倍，能效提升400萬倍，有望成為人工智能發展的有力引擎。第五代精簡指令集（RISC-V）正在引領新一輪處理器芯片技術與產業的變革浪潮，第三代“香山”開源高性能RISC-V處理器核是國際上首次基于開源模式、使用敏捷開發方法、聯合開發的處理器核，性能水平進入全球第一梯隊。
北京量子信息科學研究院聯合中國科學院物理研究所、清華大學等團隊，完成大規模量子云算力集群建設，實現了5塊百比特規模量子芯片算力資源和經典算力資源的深度融合，總物理比特數達到590，綜合指標進入國際第一梯隊。
光學晶體被稱為激光技術的“心臟”。北京大學科研團隊創造性提出“轉角相位匹配理論”，應用氮化硼首次制備出超薄、高能效的光學晶體——轉角菱方氮化硼，其厚度僅為微米量級，能效提升至少100倍，為新一代激光技術奠定了理論和材料基礎。
對腦與智的探秘，科研人員也有了重大突破。“北腦二號”高性能侵入式智能腦機系統拓展“心有靈犀”的邊界，在國際上首次實現獼猴對二維運動光標的靈巧腦控，為更自然、更靈活的新一代神經假肢的開發等臨床應用奠定了基礎。人工智能取得系列成果，基于價值驅動的全球首個通用人工智能系統原型“通通”發布，可以識別人類意圖并主動提供幫助，其已達到兒童一定的智力水平，并且正在持續成長中。
“中國天眼”首次探測到迄今最短軌道周期脈沖星雙星系統、“拉索”發現史上最亮伽馬暴十萬億電子伏特光子、全超導托卡馬克核聚變實驗裝置實現世界上最長時間可重復的高約束模等離子體運行……一批“大國重器”正在持續產出系列國際領先成果。
此外，國家電力投資集團有限公司研制的300兆瓦級F級重型燃氣輪機首臺樣機總裝下線，是我國自主研制的最大功率、最高技術等級重型燃氣輪機；中國科學院遺傳與發育生物學研究所團隊定位克隆到與耐堿性顯著相關的主效基因，為鹽堿地綜合利用和保障糧食安全提供了新思路。
在加快建設世界領先科技園區的征途上，《中關村世界領先科技園區建設方案（2024-2027年）》部署了“路線圖”，部署五方面50項重點任務，推出新一批重大政策和改革措施，將中關村打造成為北京國際科技創新中心建設躍升的主陣地、京津冀協同發展的突破口、中國高質量發展的引領者、全球創新網絡的關鍵樞紐，切實支撐科技強國和制造強國建設。
刷新世界紀錄！薄如蟬翼的光學晶體能效提升百倍以上
在石英片上，厚度僅有1至3微米的轉角菱方氮化硼晶體薄如蟬翼，能效卻比傳統光學晶體提升了100倍至1萬倍。在4月25日舉行的2024中關村論壇年會開幕式重大成果發布環節，這款世界上已知最薄的光學晶體被列為十大科技成果之一。
激光技術自被科學家發明以來，已經走過了60余年的發展歷程。“激光技術是我們當下科技文明的基石，在微納加工、量子光源、生物監測等領域，激光技術都在大放光彩。”北京大學物理學院教授劉開輝表示，激光技術的突破，高度依賴于一種特殊材料——光學晶體。激光頻率轉換、脈沖壓縮、信息處理等功能的實現，都離不開光學晶體，“可以說，光學晶體是激光技術的‘心臟’。”
如果仔細“解剖”一臺激光器，能量從輸入儀器到輸出所需的激光，共需要經歷3個環節。電能進入儀器激發產生的種子光源，分別通過特定激光晶體、光學晶體，在諧振腔內“折返跑”形成共振，最終產出各類不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未來激光技術發展的核心方向之一，但傳統的光學晶體很難在有限厚度內高效產出激光。瞄準制備更輕薄的光學晶體這一目標，中國科學院院士王恩哥與劉開輝一起，帶領團隊展開了長達10余年的攻關。
他們的原材料就比別人更輕，硼、碳、氮等輕元素的相對分子質量較小，經過反復組合嘗試，輕巧的氮化硼成了最優選。用其制備出的菱方氮化硼材料單層厚度為0.34納米，僅相當于常人頭發絲直徑的十萬分之一，部分性能卻能與傳統厘米級的光學晶體材料相媲美。
不過，單層的氮化硼分子無法被作為光學晶體用于激光器制造。“我們要讓它長大，并沿著特定方向變厚。”劉開輝說。然而實驗發現，如果只是簡單把一層層的氮化硼分子像疊積木一樣堆疊起來，激光穿過時會“步調不一致”，即出現相位失配現象，導致激光無法成功、高效輸出。
在傳統的晶體研究體系中，這一現象的出現，幾乎等于宣告了這種材料的失敗，只能更換新材料重新研發。但研發團隊沒有就此放棄，通過復雜的理論推導，他們發現了一種新的晶體設計方法——當把每塊菱方氮化硼材料像擰魔方一樣轉動特定的角度，堆疊形成的光學晶體就能減少激光穿過的能量“內耗”，高效產出所需的激光。
“我們把這個規律總結為二維材料的界面轉角理論。這是自激光技術發明以來，光學晶體理論的又一個重大原創突破。”劉開輝感慨，全新的晶體設計理論與制備方法相結合，讓光學晶體成功“瘦身”，傳統光學晶體厚度在毫米級到厘米級，而轉角氮化硼光學晶體的厚度只有1至3微米。該理論的應用，有望在未來讓激光器的尺寸縮小到毫米甚至微米級。很多曾經被認為無法制造光學晶體的材料，也可能在材料堆疊角度的轉動中再次煥發生機。
在懷柔科學城，北京大學與北京市共建的輕元素量子材料交叉平臺為光學晶體提供了更大的生長空間。“實驗室做出的晶體直徑最多只有五六厘米，要實現激光技術的產業化，就得做出更大尺寸的晶體。”劉開輝說，目前，交叉平臺正在進行生產裝備調試，預計未來，直徑數十厘米的光學晶體將在這里蓬勃生長。
“光學晶體是激光技術發展的基石，誰掌握了光學晶體的設計理論和制備技術，誰就掌握了激光技術的未來。”王恩哥表示，超薄、高能效的轉角氮化硼光學晶體，為新一代激光技術奠定了理論和材料基礎。其優異的可集成性和全新的功能，未來有望在量子光源、量子通信、光子芯片、人工智能等領域實現新的應用突破。