極弱力測(cè)量科學(xué)裝置
追尋感知力極限
如果說(shuō)，人與人的相愛(ài)，是靠一股吸引力在牽引，文學(xué)家可能會(huì)感嘆，這股力源自兩個(gè)靈魂的默契；而科學(xué)家此時(shí)或許會(huì)跳出來(lái)，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度表明——這股力一點(diǎn)也不玄乎，甚至還可以被測(cè)量。
“只要是有質(zhì)量的兩個(gè)物體，相互之間就會(huì)產(chǎn)生引力。如果兩個(gè)成年人正好站在地球相對(duì)應(yīng)的兩端，那么他們之間所產(chǎn)生的引力大約是9*10-21N?？茖W(xué)裝置能夠穩(wěn)定測(cè)量出比上述情形還要小的力?！敝瓕?shí)驗(yàn)室量子傳感研究中心副主任高曉文說(shuō)。
他口中的科學(xué)裝置，便是之江實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的新一代極弱力測(cè)量科學(xué)裝置。
這臺(tái)由之江實(shí)驗(yàn)室牽頭，聯(lián)合浙江大學(xué)共同設(shè)計(jì)研制、具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)測(cè)量?jī)x器，具備了力分辨率達(dá)4.2*10-23N、力靈敏度達(dá)4.3*10-21N/Hz1/2的極弱力測(cè)量能力。經(jīng)過(guò)與目前全球相關(guān)領(lǐng)域的公開(kāi)指標(biāo)對(duì)比以及專(zhuān)家驗(yàn)收測(cè)試，該裝置的核心性能指標(biāo)，已居全球最高水平。
我們?yōu)槭裁匆獪y(cè)量力？
“力是描述客觀世界物質(zhì)相互作用的最基本物理量。提升力精密測(cè)量的能力，能為人類(lèi)不斷探索科學(xué)規(guī)律、認(rèn)知客觀世界提供有力的科研利器?！?nbsp;之江實(shí)驗(yàn)室極弱力測(cè)量科學(xué)裝置項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、之江實(shí)驗(yàn)室特聘專(zhuān)家胡慧珠說(shuō)。
的確，測(cè)力的精密水平，能讓我們觀測(cè)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?？蒲腥藛T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(dāng)前世界科學(xué)界最熱門(mén)的幾個(gè)話題，都離不開(kāi)對(duì)力的研究。比如，當(dāng)我們抬頭，把目光投向宇宙空間，有更多看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)，讓科學(xué)家們無(wú)從下手研究。觀察它們，便可以它們之間能產(chǎn)生的極微弱的力著手。
2015年，LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）首次探測(cè)到一個(gè)來(lái)自宇宙的引力波信號(hào)。它那長(zhǎng)達(dá)四公里的探測(cè)臂微微移動(dòng)了一個(gè)質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一尺度。因?yàn)檫@一事件，LIGO項(xiàng)目的三位組織者獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。我們是否還能再次靈敏地探測(cè)到如此微弱的引力波，去印證宇宙起源是一場(chǎng)大爆炸？
此外，暗物質(zhì)被認(rèn)為占宇宙中所有物質(zhì)的大約85%，從未被直接觀察到，并且仍然是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的未解之謎之一。科學(xué)家們懷疑它的存在，是因?yàn)樗鼘?duì)宇宙中物體的引力效應(yīng)。我們能否感知到這大量看不見(jiàn)的物質(zhì)，從而解釋為什么星系會(huì)這樣旋轉(zhuǎn)，宇宙為什么會(huì)越來(lái)越膨脹？
這些都是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)希望去幫助解答的問(wèn)題。“暗物質(zhì)、暗能量、引力波的探測(cè)和檢驗(yàn)是宇宙物理學(xué)的重大命題。因此我們希望這臺(tái)極弱力測(cè)量科學(xué)裝置，能夠在相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用，為相關(guān)研究做出貢獻(xiàn)?！焙壑橥嘎?，近期，他就將趕赴國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)單位作學(xué)術(shù)交流。在那里，一個(gè)探測(cè)引力波的大型裝置正在建設(shè)之中。
相比處于研究初期的量子計(jì)算和量子通信，這臺(tái)科學(xué)裝置所依托的量子傳感是量子技術(shù)中較為成熟的子類(lèi)別，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景豐富。不止支撐科研，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)家重大任務(wù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求，不斷拓展裝置的應(yīng)用領(lǐng)域。
在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)看來(lái)，極弱力測(cè)量科學(xué)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(xué)量的精密測(cè)量，能夠構(gòu)建具有廣泛應(yīng)用前景的智能傳感器?！焙壑榻榻B，“比如礦產(chǎn)探測(cè)就是一種有效應(yīng)用”。
在沒(méi)有探測(cè)器的古代，人們對(duì)礦藏的勘測(cè)源于經(jīng)驗(yàn)。如《管子》中寫(xiě)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?！碑?dāng)然，經(jīng)驗(yàn)主義難免失敗。當(dāng)力的探測(cè)達(dá)到足夠精度的時(shí)候，探礦的準(zhǔn)確度就大大提升。
“物質(zhì)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(shí)候，地表的重力加速度會(huì)發(fā)生變化。我們的智能傳感器能感知微小到小數(shù)點(diǎn)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(chǎn)勘探，根據(jù)裝置原理能設(shè)計(jì)出地球重力儀，用于服務(wù)地質(zhì)勘探、災(zāi)害預(yù)警等現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。
極弱力測(cè)量科學(xué)裝置對(duì)力的測(cè)量基于光動(dòng)量效應(yīng)，通俗理解起來(lái)，便是用光束之間產(chǎn)生的引力作為“鑷子”，“夾住”極微小的粒子做測(cè)量?？茖W(xué)家認(rèn)為，該裝置還有進(jìn)步空間，目前4.2*10-23N的力的分辨率只是一個(gè)階段性成果。
“說(shuō)是‘測(cè)量’，其實(shí)更核心的是‘控制’。”胡慧珠強(qiáng)調(diào)，光束控制的穩(wěn)定程度與力的測(cè)量環(huán)境程度正相關(guān)。項(xiàng)目組把實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)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?！袄碚撋希绻M(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)光的控制，我們對(duì)力的捕捉精度還能提升7到8個(gè)量級(jí)?！?/span>
合作，永遠(yuǎn)是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。在成果發(fā)布的當(dāng)天，項(xiàng)目組還上線了一個(gè)開(kāi)放分享的網(wǎng)站?！拔覀兿Ｍ麨閲?guó)內(nèi)外的前沿理論科研提供幫助，也為提高自身多一分可能性?！焙壑檎f(shuō)。
智能計(jì)算數(shù)字反應(yīng)堆
讓算力像電力一樣好用
“算力”即電子設(shè)備的計(jì)算能力，小到手機(jī)、電腦，大到超級(jí)計(jì)算機(jī)，都需要算力支撐其軟硬件的正常運(yùn)行。步入大數(shù)據(jù)時(shí)代，算力成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，算力需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，這一新型基礎(chǔ)設(shè)施的普惠建設(shè)也愈發(fā)重要。
然而，當(dāng)下算力資源的“異構(gòu)性”特征引發(fā)了不少問(wèn)題。采用不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算能力，往往具備不同的系統(tǒng)架構(gòu)、指令集等。用戶在使用算力執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要適配不同的算力軟硬件，甚至還要為此專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)軟件，不僅使用不便，還產(chǎn)生了大量算力資源浪費(fèi)。
為了高效利用規(guī)?；懔Γ胃黝I(lǐng)域的計(jì)算需求，之江實(shí)驗(yàn)室智能計(jì)算數(shù)字反應(yīng)堆應(yīng)運(yùn)而生。為協(xié)同調(diào)度算力和算法，數(shù)字反應(yīng)堆“之江瑤光”智能計(jì)算操作系統(tǒng)于去年10月啟動(dòng)建設(shè)，目前已發(fā)布1.0版本，進(jìn)入了測(cè)試階段。
人工智能技術(shù)是“之江瑤光”的核心，以強(qiáng)大智慧，在用戶和算力之間“牽線搭橋”。它“包羅萬(wàn)象”，通過(guò)一個(gè)“資源連接器”，聚合高性能計(jì)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(gòu)智能計(jì)算機(jī)、“之江之光”智能超算機(jī)等國(guó)內(nèi)新型計(jì)算集群，目標(biāo)聚合損耗低于10%，算力近線性疊加。它又“運(yùn)籌帷幄”，按策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編排調(diào)度，把數(shù)據(jù)高效傳達(dá)計(jì)算集群和節(jié)點(diǎn)，讓每臺(tái)智算機(jī)物盡其用，協(xié)同整合算力可達(dá)10EFlops（每秒1000億億次浮點(diǎn)運(yùn)算）。
“‘之江瑤光’是一個(gè)易用性很強(qiáng)的通用計(jì)算平臺(tái)。”數(shù)字反應(yīng)堆總架構(gòu)師潘愛(ài)民評(píng)價(jià)道。這不僅得益于它雄厚的算力基礎(chǔ)設(shè)施，還離不開(kāi)平臺(tái)配備的如科學(xué)計(jì)算、人工智能算法、大數(shù)據(jù)算法框架、開(kāi)源科學(xué)計(jì)算庫(kù)等各類(lèi)算法框架。它們面向不同計(jì)算任務(wù)，避免了用戶的重復(fù)開(kāi)發(fā)和不兼容問(wèn)題。
“瑤光者，資糧萬(wàn)物者也”?；跀?shù)字反應(yīng)堆，天文、制藥、育種、材料、基因五大“應(yīng)用堆”開(kāi)枝散葉，與智能計(jì)算深度融合。數(shù)字反應(yīng)堆對(duì)五大平臺(tái)的“資糧”，一方面在根據(jù)已有算法庫(kù)，為科研人員提供“零代碼一鍵部署”服務(wù)，另一方面則能幫助他們根據(jù)需要進(jìn)行低代碼自建，即以最少的手動(dòng)編碼創(chuàng)建出功能強(qiáng)大的應(yīng)用。而隨著更多領(lǐng)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(kuò)張。
“我們的首批應(yīng)用賦能科學(xué)研究，未來(lái)基于之江瑤光操作系統(tǒng)以及之江實(shí)驗(yàn)室的算力基礎(chǔ)設(shè)施，能夠支持各領(lǐng)域用戶建設(shè)相應(yīng)的領(lǐng)域計(jì)算平臺(tái)?！迸藧?ài)民說(shuō)。
數(shù)字反應(yīng)堆提供的智能算法與基礎(chǔ)科學(xué)的第一原理性碰撞，“裂變”出巨大能量。實(shí)驗(yàn)無(wú)法窮盡的排列組合、方程無(wú)法解析的復(fù)雜系統(tǒng)，都能在人工智能的協(xié)助下一一破解。潘愛(ài)民認(rèn)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(shuō)，更有可能催生出數(shù)據(jù)與領(lǐng)域知識(shí)相結(jié)合的科學(xué)研究第五范式。
“五大平臺(tái)均誕生了突破性研究成果，無(wú)疑是對(duì)當(dāng)下大熱的科學(xué)智能理念的成功探索。”潘愛(ài)民說(shuō)。
比如，今年6月，之江實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了首例持續(xù)活躍的快速射電暴，相關(guān)成果發(fā)表于《自然》雜志?；凇爸幑狻毙纬傻腇AST@LAB智能計(jì)算天文平臺(tái)的作用功不可沒(méi)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了中國(guó)天眼FAST數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的接入數(shù)字反應(yīng)堆，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法挖掘觀測(cè)數(shù)據(jù)，規(guī)?；祗w輻射現(xiàn)象，還建立了唯一提供動(dòng)態(tài)圖譜和完整物理參數(shù)的快速射電暴知識(shí)庫(kù)，引領(lǐng)著國(guó)際宇宙“時(shí)間前沿”瞬變天體物理研究。
又如CERESLAB智能計(jì)算育種開(kāi)放平臺(tái)，以“計(jì)算選優(yōu)”代替了傳統(tǒng)的“試驗(yàn)選優(yōu)”。通過(guò)現(xiàn)有的基因、分子、環(huán)境和表型等多模態(tài)、多尺度海量數(shù)據(jù)集，建立了基于深度學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型，借助基因編輯與合成生物學(xué)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能、高效、定向培育新品種。目前，平臺(tái)已經(jīng)在中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究院、中國(guó)水稻研究所開(kāi)展應(yīng)用。
算力、算法、數(shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)人工智能發(fā)展的三駕馬車(chē)。下一步，“之江瑤光”還將強(qiáng)化“云邊協(xié)同”，除對(duì)數(shù)據(jù)中心“云”的建設(shè)外，打造智能數(shù)據(jù)采集的“邊緣平臺(tái)”。潘愛(ài)民介紹：“我們已經(jīng)在智能育種領(lǐng)域展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，在集裝箱溫室中裝配傳感器，自動(dòng)提取作物特征，采集的數(shù)據(jù)與數(shù)字反應(yīng)堆完全打通，可以自動(dòng)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算?！?/span>
數(shù)字反應(yīng)堆的生態(tài)圈將持續(xù)擴(kuò)大，聚合更強(qiáng)算力，布局更廣領(lǐng)域，向“讓算力像水電一樣，隨時(shí)隨處可得”的美好愿景進(jìn)發(fā)。
高通量納米激光直寫(xiě)裝置
突破三維微納加工技術(shù)
以光子芯片為代表的未來(lái)技術(shù)領(lǐng)域，需要進(jìn)行三維、復(fù)雜、大面積的微納結(jié)構(gòu)加工。然而，光刻技術(shù)一直被認(rèn)為是擋在我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路上的巨石。
之江實(shí)驗(yàn)室高通量納米激光直寫(xiě)技術(shù)及裝置，就是奔著解決這一矛盾難題而去。目前，該團(tuán)隊(duì)正在之江實(shí)驗(yàn)室特聘專(zhuān)家劉旭、匡翠方的帶領(lǐng)下，致力于提升激光直寫(xiě)“雕刻”的精度和速度，讓斑點(diǎn)中的“世界”更復(fù)雜精妙。
所謂“光刻”，是利用光“刀”在特殊材料上雕刻圖形。從類(lèi)別上來(lái)看，投影式光刻是當(dāng)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(zhuǎn)移到硅材料芯片上的技術(shù)。這有點(diǎn)類(lèi)似于“膠片相機(jī)用底片洗照片”過(guò)程——刻有精密圖形的掩膜版便是底片，芯片就此批量生產(chǎn)。
投影式光刻是目前能實(shí)現(xiàn)的精度與效率最好的光刻手段。但是，有沒(méi)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(jié)構(gòu)，無(wú)法滿足當(dāng)下新的發(fā)展需求。此外，所需關(guān)鍵材料——掩膜版不僅價(jià)格極為昂貴、工藝復(fù)雜、制作周期長(zhǎng)，并且關(guān)鍵制備技術(shù)也‘卡’在他國(guó)手里?！?nbsp;之江實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究專(zhuān)員丁晨良博士透露，“而有時(shí)候，實(shí)驗(yàn)用芯片并不需要批量生產(chǎn)，何必浪費(fèi)資源去開(kāi)發(fā)掩膜版”。
讓我們以“價(jià)格”為切入，更直觀地看清使用掩膜版的“代價(jià)”。芯片在制造過(guò)程中，要經(jīng)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(shù)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(wàn)美元左右，到7納米時(shí)，掩膜成本迅速升至1500萬(wàn)美元。
于是，團(tuán)隊(duì)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(yōu)勢(shì)的激光直寫(xiě)。“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，便是拋棄掩膜版，利用激光，直接在芯片上雕刻精密結(jié)構(gòu)。這讓芯片的研發(fā)周期更快，保密性、自主化程度更高?！倍〕苛冀忉?。
雖然激光直寫(xiě)加工方式靈活，但也有相對(duì)精度低、效率相對(duì)不足、穩(wěn)定度相對(duì)不夠三大缺陷。
研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)兩年多的攻關(guān)，成功研制了多套多通道激光直寫(xiě)裝備。其中，十通道激光直寫(xiě)系統(tǒng)，突破了邊緣光抑制、十通道特異性調(diào)控、3D暗斑調(diào)控、光束防漂移、差分定焦鎖焦等一系列關(guān)鍵技術(shù)，能夠讓激光直寫(xiě)光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)“高分辨、高通量、高穩(wěn)定”的性能優(yōu)勢(shì)。
目前，這一技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)品所用芯片。在速度方面，十通道直寫(xiě)系統(tǒng)代表可以實(shí)現(xiàn)10道激光同時(shí)雕刻，這意味著雕刻速度可以提升10倍，達(dá)到100米每秒的刻寫(xiě)通量。以往以“天”計(jì)的激光直寫(xiě)時(shí)間單位，就此可以縮短至“小時(shí)”。
激光直寫(xiě)對(duì)光刻膠材料性能的要求很高；同時(shí)，光刻膠制備技術(shù)長(zhǎng)期被日本企業(yè)所壟斷。“現(xiàn)有材料對(duì)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(lái)雕刻。但是能量越高，光刻的精度就會(huì)衰減?！?nbsp;丁晨良介紹，為此，研究團(tuán)隊(duì)還特意自主研發(fā)了一種適配于所有光刻種類(lèi)的全新光刻膠?！敖?jīng)過(guò)與在目前直寫(xiě)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種膠對(duì)比，我們新研發(fā)的光刻膠整體性能與其不相上下。尤其在剛性參數(shù)上表現(xiàn)更強(qiáng)?！?/span>
好的科研成果不能捂在手，廣泛的應(yīng)用才能惠及社會(huì)。據(jù)悉，目前，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型光刻膠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，高通量納米激光直寫(xiě)裝置也已經(jīng)生產(chǎn)出不止一臺(tái)樣機(jī)，可讓有需要的科研等領(lǐng)域相關(guān)機(jī)構(gòu)使用。
論及未來(lái)應(yīng)用，激光直寫(xiě)技術(shù)的應(yīng)用邊界，甚至超越它的初衷。例如，丁晨良透露，團(tuán)隊(duì)正在和國(guó)內(nèi)某三甲醫(yī)院合作，探索利用相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物組織結(jié)構(gòu)的3D打印。此外，激光直寫(xiě)光刻三維加工能力的優(yōu)勢(shì)，也將為AR、VR等智能感知領(lǐng)域貢獻(xiàn)更多新型納米感知器件，有力推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
(來(lái)源：浙江日?qǐng)?bào)）
