2020年基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢與趨勢*

劉小平 呂鳳先

（1.中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院圖書情報與檔案管理系，北京100190）

基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭。2020年9月11日，習(xí)近平總書記在科學(xué)家座談會上指出：我國面臨的很多“卡脖子”技術(shù)問題，根子是基礎(chǔ)理論研究沒有搞清楚。2020年10月26日，習(xí)近平總書記在十九屆五中全會上指出：把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。2021年是“十四五”規(guī)劃的開啟之年，我們要繼續(xù)以習(xí)近平總書記關(guān)于科技發(fā)展的重要論述為指引，以需求為牽引，發(fā)展高水平的基礎(chǔ)研究。

交叉研究在基礎(chǔ)研究中日益發(fā)揮重要作用。1995年，美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，NSF）建立數(shù)理科學(xué)部多學(xué)科研究辦公室，研究人員開創(chuàng)了生物化學(xué)、物理化學(xué)等交叉學(xué)科。在長期的發(fā)展過程中，數(shù)學(xué)也與“大數(shù)據(jù)”“演化生物學(xué)”“天文學(xué)”“人工智能（Artificial Intelligence，AI）”等交叉融合，共同發(fā)展?；A(chǔ)前沿的交叉研究有著解決重要科學(xué)問題和重大社會挑戰(zhàn)的雙重作用。基礎(chǔ)前沿研究和交叉研究分別受到各國的重視，而交叉研究也深入發(fā)展成為融合研究。適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，中國科學(xué)院在十三五規(guī)劃中，將基礎(chǔ)前沿交叉作為八個重大創(chuàng)新領(lǐng)域之一，數(shù)學(xué)及其交叉、物理學(xué)及其交叉、化學(xué)及其交叉是三個重要的研究方向。另外，考慮到納米科學(xué)的學(xué)科交叉特征（物理、化學(xué)、生物、材料等學(xué)科的交叉學(xué)科），本文將聚焦基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域，從數(shù)學(xué)及其交叉、物理學(xué)及其交叉、化學(xué)及其交叉、納米科技等領(lǐng)域分析世界主要國家／地區(qū)2020年相關(guān)的戰(zhàn)略、計劃，回顧并梳理2020年基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展，供科研人員與決策者了解基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢與未來發(fā)展趨勢。

1 2020年基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域重要戰(zhàn)略規(guī)劃與科技布局

1.1 美國

1.1.1 美國重申基礎(chǔ)研究重要性擬改革NSF推動基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化

2020年12月，美國國家科學(xué)院發(fā)布《無止境的前沿：科學(xué)的未來75年》報告［1］，再次重申將美國的基礎(chǔ)研究與今后幾十年的經(jīng)濟(jì)增長關(guān)聯(lián)起來的對策建議。報告指出，美國繼續(xù)增加聯(lián)邦政府科研經(jīng)費投入，無論從經(jīng)濟(jì)回報還是創(chuàng)造社會就業(yè)崗位來看，科學(xué)研究都是政府最好的投資回報之一。當(dāng)前世界環(huán)境發(fā)生了深刻變化，但基礎(chǔ)研究仍然是創(chuàng)新的根基所在，至關(guān)重要。

2020年5月，美國國會提出《無盡前沿法案》（Endless Frontier Act）［2］，擬對 NSF進(jìn)行結(jié)構(gòu)改革，新增技術(shù)理事會，將NSF更名為國家科學(xué)技術(shù) 基 金 會 （National Science＆Technology Foundation，NSTF）。擬在五年內(nèi)對AI與機器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）、高性能計算等十個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域投資1000億美元。2021年5月，《無盡前沿法案》進(jìn)入辯論階段，辯論主要圍繞增設(shè)技術(shù)理事會對NSF基礎(chǔ)研究使命和文化的影響，是否與美國能源部（Department of Energy，DOE）、美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）現(xiàn)有職能相互重復(fù)等問題展開。截至2021年5月底，對NSF增設(shè)技術(shù)理事會的資金有所削減，但仍然保留著在NSF增設(shè)技術(shù)理事會的建議。另外也有修正案建議加強DOE技術(shù)轉(zhuǎn)化能力。是基于美國聯(lián)邦機構(gòu)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，還是基于改革聯(lián)邦機構(gòu)的架構(gòu)來增加美國基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化的能力，還未最終確定［3］。

1.1.2 基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域戰(zhàn)略部署

1）數(shù)學(xué)及其交叉領(lǐng)域相關(guān)戰(zhàn)略

美國的數(shù)學(xué)及其交叉領(lǐng)域的戰(zhàn)略融合到了先進(jìn)計算、AI領(lǐng)域的戰(zhàn)略和計劃中。

2020年10月，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布《開創(chuàng)未來先進(jìn)計算生態(tài)系統(tǒng)：戰(zhàn)略規(guī)劃》［4］。該戰(zhàn)略規(guī)劃確定美國DOE、美國國防部和NSF為牽頭機構(gòu)，美國DARPA和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）等機構(gòu)支持先進(jìn)計算領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。該戰(zhàn)略建議美國研發(fā)新計算形式：神經(jīng)形態(tài)、生物啟發(fā)、量子、模擬、混合計算；實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和存儲的可擴展性，減少延遲，減少AI／ML系統(tǒng)處理不確定性、減少漏洞、提高AI／ML系統(tǒng)健壯性。目前正在展開的基礎(chǔ)研究包含：DARPA、NIST探索新的先進(jìn)計算體系結(jié)構(gòu)，支持可信AI特征評估研究，DARPA、NSF開展可擴展系統(tǒng)的原理研究，電子復(fù)興計劃，開發(fā)異構(gòu)計算架構(gòu)和相關(guān)理論，數(shù)學(xué)和計算算法、模型等。

美國于2019年2月啟動了美國AI計劃，即美國國家AI領(lǐng)先戰(zhàn)略，要求聯(lián)邦機構(gòu)在年度預(yù)算中優(yōu)先考慮AI方面的投入。2021財年財政預(yù)算美國重點支持AI等領(lǐng)域。NSF 2021財年用于AI研發(fā)和跨學(xué)科研究機構(gòu)的預(yù)算超過8.3億美元，比2020財年預(yù)算增加了70%以上［5］。DOE科學(xué)辦公室2021財年對AI和ML預(yù)算為1.25億美元，比上一財年增加了76%［6］。美國農(nóng)業(yè)部和國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）在AI領(lǐng)域也分別預(yù)算了1億美元和5000萬美元。在國防AI研發(fā)方面，DARPA投資4.59億美元用于AI研發(fā)，比2020財年增加了5000萬美元，國防部聯(lián)合AI中心的預(yù)算從2020財年的2.42億美元增加到2021財年的2.9億美元，比上一財年預(yù)算增加了20%。

2）物理及其交叉領(lǐng)域相關(guān)戰(zhàn)略與重要部署

2020年，美國在物理及其交叉領(lǐng)域的戰(zhàn)略融合到了量子科技戰(zhàn)略部署當(dāng)中，還單獨發(fā)布了聚變能和等離子體領(lǐng)域的十年遠(yuǎn)景，建立了核天體物理領(lǐng)域的物理前沿中心。

2020年美國推出了一系列促進(jìn)和推動量子科技發(fā)展的舉措，搶占戰(zhàn)略制高點。①發(fā)布全國性的研究規(guī)劃。7月，DOE發(fā)布了《量子互聯(lián)網(wǎng)藍(lán)圖》［7］，計劃在10年內(nèi)建成一個全國性的量子互聯(lián)網(wǎng)；10月，美國科技政策辦公室（Office of Science and Technology Office，OSTP）發(fā)布了《量子前沿》報告［8］。②建立包含基礎(chǔ)研究信息在內(nèi)的門戶網(wǎng)站。10月OSTP啟動一站式門戶網(wǎng)站Quantum.gov，匯集美國政府在量子領(lǐng)域的所有工作，打造“美國國家量子行動計劃”之家［9］。③建立量子研究中心。美國NSF和DOE在量子信息科學(xué)領(lǐng)域建立的研究中心／研究所約8家。2020年，DOE宣布在未來五年建立另外5家研究中心。美國現(xiàn)有的8個研究中心［10］，在量子計算、量子通信、量子傳感、量子網(wǎng)絡(luò)、量子器件都有研究布局，其中包含量子力學(xué)、原子分子物理學(xué)、光學(xué)、凝聚態(tài)物理等學(xué)科的基礎(chǔ)研究。

DOE聚變能源科學(xué)咨詢委員會為聚變能和等離子體科學(xué)領(lǐng)域提供了長達(dá)十年的遠(yuǎn)景［11］，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域強調(diào)：①研究多尺度、多物理的理論和模型預(yù)測聚變試驗裝置內(nèi)眾多等離子體、材料和工程過程之間復(fù)雜相互作用；②開發(fā)具有更高磁場、更高工作溫度、更高可靠性、簡化制造工藝和降低生產(chǎn)成本的磁體；③可適應(yīng)中子和等離子體環(huán)境，集成穩(wěn)態(tài)冷卻和長脈沖可靠性的材料；④等離子體動力學(xué)的基本理論描述，模擬多尺度行為的數(shù)值方法，自組織的、遠(yuǎn)離平衡的等離子體的探索和控制。

2020年8月，NSF建立了原子壓力物質(zhì)中心（Center forMatter at Atomic Pressures，CMAP）和中微子、核天體物理和對稱性網(wǎng)絡(luò)（Network for Neutrinos，Nuclear Astrophysics，and Symmetries，N3AS）物理前沿中心。CMAP將獲得美國NSF為期五年、金額1296萬美元的資助，將專注于在“氣態(tài)巨行星”（包括太陽系中的木星和土星）中，氫和氦等元素在極高密度下的行為研究，在極端壓力下使物質(zhì)性質(zhì)和能量平衡發(fā)生巨大變化的能量傳輸途徑等［12］。N3AS物理前沿中心的研究包括：在超新星和中子星的中心發(fā)現(xiàn)的超致密、富含中子的核物質(zhì)的描述、中微子、暗物質(zhì)、核合成、利用高性能計算模擬合并和超新星等［13］。

1.2 歐洲

1.2.1 歐洲新研發(fā)框架——地平線歐洲

2020年底，歐洲議會批準(zhǔn)了向“地平線歐洲（Horizon Europe）”7年撥款 955億歐元的計劃［14］?！暗仄骄€歐洲”計劃多個渠道支持基礎(chǔ)研究。該計劃將通過歐洲研究理事會、瑪麗·居里行動計劃（Marie Sk?odowska-Curie Actions）、科學(xué)和知識服務(wù)機構(gòu)聯(lián)合研究中心（Joint Research Centre，JRC）聯(lián)合對基礎(chǔ)研究提供支持，其中，約160億歐元將撥給歐洲研究理事會（European Research Council），比此前的“地平線 2020”項目多20%以上?！暗仄骄€歐洲”計劃強調(diào)了量子研究，以擴大歐洲在量子技術(shù)方面的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位和卓越性。

1.2.2 歐洲重點發(fā)展AI、量子科技、粒子物理學(xué)前沿領(lǐng)域

歐洲在數(shù)學(xué)及其交叉領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署融合到了AI領(lǐng)域的計劃中。而物理及其交叉領(lǐng)域的規(guī)劃融合到了量子技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃中，還單獨發(fā)布了粒子物理學(xué)領(lǐng)域的戰(zhàn)略。

AI領(lǐng)域。2020年2月，歐盟委員會發(fā)布了《AI白皮書：歐洲追求卓越和信任的方法》［15］，指出歐盟在神經(jīng)形態(tài)計算、高性能計算、邊緣計算和量子計算領(lǐng)域的基礎(chǔ)將推動其在AI領(lǐng)域的發(fā)展和領(lǐng)先地位。5月，歐盟委員會在一項名為“歐盟下一代”的復(fù)蘇計劃提案中，提出了投入610億歐元以刺激和引導(dǎo)私營資本加大對5G、AI等數(shù)字經(jīng)濟(jì)的投資的舉措。

量子科技。2020年德國政府決定投入20億歐元發(fā)展量子技術(shù)，建造3臺量子計算機。歐洲目前有24個國家聯(lián)合開發(fā)量子通信聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)施［16］。粒子物理學(xué)領(lǐng)域，歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）發(fā)布《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》［17］，聚焦建造“希格斯工廠”和開發(fā)新的加速器技術(shù)，搜尋暗物質(zhì)、探索味物理和基本對稱性，繼續(xù)支持理論物理學(xué)研究，支持探測器研發(fā)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，支持粒子物理學(xué)研究中的軟件和計算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

1.3 英國

1.3.1 重視具有變革性的研究

面向高風(fēng)險、高回報的科學(xué)研究，英國政府將投資至少8億英鎊，建立一個運作模式仿效美國DARPA的基金機構(gòu)，減少研究人員的行政負(fù)擔(dān)，嘗試不同的融資模式和資助模式（項目資助、種子資助和獎金激勵），根據(jù)項目的成功啟動和停止項目，在必要時重新引導(dǎo)資金，對失敗的容忍度高。預(yù)計2022年啟動該機構(gòu)［18］。

英國科學(xué)技術(shù)委員會給出了登月型研究的七條原則：1）激發(fā)和激勵公眾、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界；2）幫助解決一個重要的社會問題；3）真正具有顛覆性和開創(chuàng)性；4）把重點放在確定可實現(xiàn)重大突破的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域；5）具體和明確的目標(biāo)，并有明確的完成時間表；6）利用英國目前或即將成為世界領(lǐng)先者的領(lǐng)域；7）產(chǎn)生顯著的附加效益。

1.3.2 物理與數(shù)學(xué)領(lǐng)域的政策和研究部署

英國在數(shù)學(xué)和物理領(lǐng)域的政策和研究部署融合到了物理和數(shù)學(xué)的人才培養(yǎng)政策部署、對量子科學(xué)和技術(shù)的項目部署中。2020年3月，英國政府投資1.79億英鎊資助英國40多所大學(xué)培養(yǎng)物理科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程專業(yè)的博士。英國政府授予首批史蒂芬·霍金研究員，支持其進(jìn)行物理學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)的交叉突破性研究，挑戰(zhàn)當(dāng)前的假設(shè)，推進(jìn)科學(xué)知識，并通過他們的發(fā)現(xiàn)激勵公眾［19］。未來五年，政府將針對數(shù)學(xué)研究資助3億英鎊，以吸引全球最優(yōu)秀的人才，資金將用于資助博士、增加數(shù)學(xué)獎學(xué)金和研究項目［20］。英國處于量子技術(shù)計劃的第二階段，在量子計算領(lǐng)域開展大量研究。英國從2013年起開始實施英國國家量子及技術(shù)計劃，致力于量子創(chuàng)新商業(yè)化和確保英國在量子科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。計劃分為兩個階段，第一階段，2014—2019年，英國總計投入3.8億英鎊［21］?，F(xiàn)在這一計劃處于第二階段，累計投資已經(jīng)達(dá)到10億英鎊。2020年6月，英國政府向38個項目投資7000萬英鎊，大約三分之一的項目涉及量子計算，例如，開發(fā)世界首個量子計算機，基于量子技術(shù)克服電池材料設(shè)計的局限性等［22］。

1.4 日本

日本重視基礎(chǔ)研究的作用，強調(diào)基礎(chǔ)研究跨學(xué)科跨領(lǐng)域的整合，重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型。主要通過基礎(chǔ)設(shè)施和平臺建設(shè)、開放合作、機制完善與科研環(huán)境創(chuàng)設(shè)支持基礎(chǔ)研究，尤其注重開放合作與平臺建設(shè)兩種政策工具。

日本在數(shù)學(xué)和物理的相關(guān)戰(zhàn)略融合在了AI和量子技術(shù)的戰(zhàn)略中。日本推動AI領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。日本計劃在AI基礎(chǔ)理論與技術(shù)、終端與設(shè)計、可靠的高質(zhì)量及系統(tǒng)要素等4個方面啟動重點研發(fā)項目［23］。其中，AI相關(guān)基礎(chǔ)理論研究和融合性集成創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)是構(gòu)成AI研發(fā)的核心基礎(chǔ)。在AI基礎(chǔ)理論研究與技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，主要針對現(xiàn)階段的深度學(xué)習(xí)尚不能完全解決的一些難題、語言和聲音處理技術(shù)、采用人腦模型的AI技術(shù)進(jìn)行重點研發(fā)。邊緣計算、云計算、量子計算等計算科學(xué)也是其中的重要研究方向。日本制定《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》，作為未來10～20年的國家重要戰(zhàn)略之一。2020年1月，日本統(tǒng)合創(chuàng)新戰(zhàn)略推進(jìn)會議發(fā)布《量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略（最終報告）》［24］指出，日本的產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府部門將一起共同合作努力，以強有力地促進(jìn)和制定從研發(fā)到社會實施的廣泛計劃。日本重點關(guān)注的量子技術(shù)領(lǐng)域包括：量子計算機與量子模擬、量子測量與量子傳感、量子通信與密碼學(xué)、量子材料、量子AI技術(shù)、量子生物技術(shù)、量子安全技術(shù)等?！读孔蛹夹g(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》還指出，量子技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，穩(wěn)定地促進(jìn)研發(fā)是極其重要的。日本將進(jìn)一步加強包括量子技術(shù)及其外圍技術(shù)，例如微觀結(jié)構(gòu)分析、微細(xì)加工技術(shù)、光波控制／光學(xué)設(shè)備技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、稀釋冰箱冷卻技術(shù)、低溫電子技術(shù)、分析和需求評估技術(shù)等基礎(chǔ)研究，同時穩(wěn)步推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的開發(fā)和共享。

1.5 中國提高基礎(chǔ)研究資助比例推動新形勢下基礎(chǔ)研究發(fā)展

我國在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的改革主要以增加投入、優(yōu)化布局和管理等作為切入點。我國2020年基礎(chǔ)研究經(jīng)費1504億元，比2019年的1336億元增長了12.6%。2020年4月，科技部、財政部、教育部、中科院、工程院、自然科學(xué)基金委共同制定了《新形勢下加強基礎(chǔ)研究若干重點舉措》［25］，提出優(yōu)化基礎(chǔ)研究總體布局、激發(fā)創(chuàng)新主體活力、深化項目管理改革、營造有利于基礎(chǔ)研究發(fā)展的創(chuàng)新環(huán)境和完善基礎(chǔ)研究支持機制五大重點舉措。中國正在制定《基礎(chǔ)研究十年行動方案（2021—2030）》，對未來十年中國基礎(chǔ)研究的發(fā)展作出系統(tǒng)部署和安排，重視基礎(chǔ)前沿研究中和應(yīng)用中提煉的科學(xué)問題。

2 基礎(chǔ)前沿交叉領(lǐng)域重要進(jìn)展

2.1 數(shù)學(xué)及其交叉領(lǐng)域重要進(jìn)展

2020年9月，英國科學(xué)家因為在隨機分析理論中做出了突破性貢獻(xiàn)，尤其是隨機偏微分方程中的正則性結(jié)構(gòu)理論獲得了數(shù)學(xué)突破獎［26］。此外，《量子雜志》（Quanta Magazine）等網(wǎng)站還遴選了數(shù)學(xué)領(lǐng)域2020年的重要進(jìn)展［27］。近年來數(shù)學(xué)與“大數(shù)據(jù)”“演化生物學(xué)”等學(xué)科交叉融合發(fā)展。本部分將依據(jù)數(shù)學(xué)的學(xué)科交叉特征以及2020年的重要進(jìn)展分析數(shù)學(xué)學(xué)科內(nèi)部，數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)的緊密聯(lián)系。

2.1.1 數(shù)學(xué)各分支領(lǐng)域之間緊密聯(lián)系

朗蘭茲綱領(lǐng)是數(shù)學(xué)中一系列影響深遠(yuǎn)的構(gòu)想，聯(lián)系數(shù)論、代數(shù)幾何與約化群表示理論，是中國科學(xué)院在十三五規(guī)劃中部署的重要方向之一。2018年，美國和法國的研究人員將朗蘭茲綱領(lǐng)延伸到橢圓曲線以外，證明了無窮多個阿貝爾曲面A在Q上的模特征。目前，研究人員正致力于從兩個方面擴展朗蘭茲綱領(lǐng)：在丟番圖方程方面，研究指數(shù)大于6的方程，以及兩個以上變量的方程；研究比目前更復(fù)雜的對稱空間上的自守形式。加拿大研究人員使用了另一個著名的橋梁——將多項式連接到冪級數(shù)——來精確地量化多項式的某些數(shù)值解如何在幾何上相互排斥。德國和美國的研究人員展示了將稱為群的復(fù)雜對象與更簡單的矩陣概念聯(lián)系起來。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻克了哈密爾頓—田猜想和偏零階估計猜想，對幾何分析，尤其是里奇流的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

2.1.2 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)的深度融合

數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)之間的融合以多種形式體現(xiàn)。1）計算機科學(xué)領(lǐng)域問題的解決推動數(shù)學(xué)問題求解。2020年1月，美國和加拿大的五位計算機科學(xué)家證明MIP*＝RE，證明科學(xué)家們可以用量子糾纏的量子計算機從理論上驗證一系列問題的答案?；谶@個證明，研究人員最終解決了一個純數(shù)學(xué)領(lǐng)域的問題——證明了孔涅嵌入猜想（the Connes Embedding Conjecture）是錯誤的。2）數(shù)學(xué)家和計算機科學(xué)家共同破解數(shù)學(xué)問題。2020年12月，一個由美國數(shù)學(xué)家和計算機科學(xué)家組成的團(tuán)隊，證明了凱勒猜想在七維空間中仍然正確。3）計算機科學(xué)家解決數(shù)學(xué)問題?！叭齻€公用設(shè)施問題”從數(shù)學(xué)角度看是一個圖論問題，與圖論中的可平面圖概念有關(guān)。2020年6月，丹麥計算機科學(xué)家找到了能以指數(shù)級改進(jìn)可平面性的算法，用最快速度解決該圖論問題。4）數(shù)學(xué)家基于計算機科學(xué)解決數(shù)學(xué)問題。2020年5月，美國數(shù)學(xué)家等利用將圖形與現(xiàn)代計算機方法結(jié)合，證明了由五邊形組成的正十二面體，不僅存在“從一個頂點出發(fā)可以返回這個頂點，且無需經(jīng)過其他任何頂點”的直線路徑，而且這樣的直線路徑存在無數(shù)條。5）微軟開發(fā)的AI工具Lean被世界范圍的科學(xué)家用于解決數(shù)學(xué)領(lǐng)域的前沿問題。

2.2 物理學(xué)及其交叉領(lǐng)域重要進(jìn)展

物理學(xué)及其交叉領(lǐng)域重點聚焦弦理論物理、凝聚態(tài)物理、原子分子物理和光學(xué)物理、粒子物理和核物理、天體物理的重要進(jìn)展。在對重要進(jìn)展進(jìn)行遴選時，綜合了世界著名物理獎項以及《科學(xué)》《自然》雜志發(fā)表的論文。重要物理獎項主要包含費米獎、沃爾夫物理學(xué)獎、富蘭克林獎、狄拉克獎、古斯塔夫·赫茲獎、馬克斯·普朗克獎、櫻井獎、波茲曼獎等，其中沃爾夫物理學(xué)獎、富蘭克林獎是綜合類的獎，古斯塔夫·赫茲獎是德國頒發(fā)給青年科學(xué)家的獎，狄拉克獎和馬克斯·普朗克獎是頒發(fā)給理論物理領(lǐng)域的獎，費米獎是核物理領(lǐng)域的，櫻井獎是粒子物理學(xué)獎。

2.2.1 弦理論研究人員獲狄拉克獎

2020年的狄拉克獎授予了法國、美國和意大利的三位科學(xué)家。他們在對弦理論的創(chuàng)立和形式化表述方面做出重要貢獻(xiàn)［28］：針對玻色弦，建立“閉弦”數(shù)學(xué)模型，和“開弦”數(shù)學(xué)模型一起完美地描述了弦的物理學(xué)。研究了“閉弦”數(shù)學(xué)模型的對稱性，發(fā)展了“Virasoro代數(shù)”。在此基礎(chǔ)上，把費米子自由度引入模型，并將描述玻色弦的對稱代數(shù)——Virasoro代數(shù)推廣到同樣可以描述費米子的代數(shù)。

2.2.2 凝聚態(tài)物理學(xué)的超導(dǎo)和拓?fù)湮飸B(tài)研究等領(lǐng)域深入發(fā)展

凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重要進(jìn)展主要從超導(dǎo)、馬約拉納費米子、拓?fù)湮飸B(tài)這三個領(lǐng)域遴選，這三個領(lǐng)域是凝聚態(tài)物理學(xué)科在國際上獲得突破較大、獲得獎項多、受到關(guān)注多的領(lǐng)域，也是我國重點發(fā)展的領(lǐng)域。

超導(dǎo)。1）美國研究人員在相當(dāng)于地心壓力四分之三的環(huán)境（267Gpa）下，實現(xiàn)了碳硫氫化物室溫（15℃）的超導(dǎo)電性，上一個超導(dǎo)記錄，是德國研究人員將鑭和氫的混合物壓縮到170GPa，在250K（－23℃）的溫度下產(chǎn)生超導(dǎo)電性。2）美國研究人員合成了Ba3NbS5交替層保護(hù)的二維超導(dǎo)體二硫化鈮（NbS2）的結(jié)構(gòu)［29］，二硫化鈮層中的電子遷移率，比未受保護(hù)的對應(yīng)層中的電子遷移率高出三個數(shù)量級。

固體材料中的新奇費米子研究是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個熱點。研究人員在固體材料中發(fā)現(xiàn)了超越宇宙對稱性保護(hù)下存在的奇異準(zhǔn)粒子，如沙漏費米子、馬約拉納費米子、三重簡并費米子等，但馬約拉納費米子的研究仍需要深入［30］。馬約拉納費米子以準(zhǔn)粒子激發(fā)的形式存在于超導(dǎo)體里，它可以用來形成具有非阿貝爾統(tǒng)計的馬約拉納束縛態(tài)。1）美國和德國的研究人員制造了多個量子反?；魻柦^緣體和超導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，觀察到異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的超導(dǎo)鄰近效應(yīng)，但并未發(fā)現(xiàn)由馬約拉納費米子誘導(dǎo)的半量子化電導(dǎo)平臺［31］。2）美國和中國的研究人員為鐵基超導(dǎo)體的拓?fù)涑瑢?dǎo)性和馬約拉納準(zhǔn)粒子的沿疇壁的傳播提供了有力的證據(jù)［32］。3）中國和美國的研究人員在鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45中觀察到馬約拉納束縛態(tài)，還在鐵基超導(dǎo)體FeTe0.5Se0.5薄膜中發(fā)現(xiàn)零能束縛態(tài)。

拓?fù)湮飸B(tài)。1）本征材料中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。美國和日本的研究人員在與六方氮化硼對齊的扭曲雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)［33］，中國研究人員在反鐵磁層狀拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)［34］。2）高階拓?fù)浣^緣體邊和角的表征。美國研究人員測量了旋轉(zhuǎn)對稱二維超材料中邊界局域化的分?jǐn)?shù)電荷密度，引入分?jǐn)?shù)電荷密度作為拓?fù)渲甘痉R別高階拓?fù)鋺B(tài)［35］。3）拓?fù)浒虢饘?。瑞士、德國、西班牙等國的研究人員在拓?fù)浒虢饘偈中跃w鈀鎵（PdGa）中觀察到具有保護(hù)的節(jié)帶簡并特征，即拓?fù)洳蛔兞筷悢?shù)（Chern Number）是4（現(xiàn)有觀測值1或者2）［36］。4）基于扭曲雙層石墨烯的拓?fù)浣^緣體。美國和日本科學(xué)家基于角度扭曲的雙層石墨烯的材料，相互作用的電子產(chǎn)生“拓?fù)淞孔討B(tài)”—拓?fù)浣^緣體，且電子在邊緣流動時不會受到任何缺陷或變形的阻礙［37］。

2.2.3 原子分子物理學(xué)領(lǐng)域

原子分子物理學(xué)領(lǐng)域的研究方向參考美國科學(xué)院2019年完成的《操控量子系統(tǒng)：美國原子分子物理和光學(xué)評估》的報告，從《科學(xué)》雜志和物理重要獎項中遴選這些方向中的重要進(jìn)展。在《科學(xué)》雜志檢索時以“激光”“阿秒”“光學(xué)鐘”“原子鐘”“核時鐘”“光子和量子”等為檢索策略。

光工具。1）高強度激光器——更快、更小、更便宜。2020年的富蘭克林物理學(xué)獎?wù)率谟枇嗣绹膬晌豢茖W(xué)家，獎勵其在高強度激光器創(chuàng)下了速度記錄，比以往任何時候都更快更小且更便宜，這一研究使高強度X射線源實用化，并廣泛用于研究各種物理化學(xué)過程，包括時間尺度為萬億分之一秒的化學(xué)反應(yīng)［38］。2）渦旋微激光器——低能耗、高速度、軌道角動量可調(diào)。中國和美國等國的研究人員，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型渦旋微激光器可以同時實現(xiàn)低能耗和高速輸出，渦旋光束激光與線偏振光束激光可以互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為1到1.5皮秒，能量消耗比以前的全光開關(guān)低幾個數(shù)量級［39］。美國和意大利等國的研究人員基于納米光子學(xué)的方法，產(chǎn)生和檢測具有任意軌道角動量的激光［40］。

基于原子分子物理的精密測量。1）更高的時間分辨率，隧穿顯微術(shù)中電子的阿秒相干操縱。德國和瑞士的研究人員證明了掃描隧道顯微鏡隧道結(jié)中電子的相干控制。研究結(jié)果表明，在原子尺度上誘導(dǎo)、跟蹤和控制電子流是可能的，并且具有亞微秒的分辨率，這為發(fā)展拍赫茲（petahertz）相干納米電子學(xué)和顯微鏡提供了一條途徑。2）將阿秒科學(xué)應(yīng)用于液相。瑞士和德國的科學(xué)家將阿秒科學(xué)應(yīng)用于液相，測量了在光子能量為21.7到31.0電子伏時，液態(tài)水和氣態(tài)水的光電發(fā)射之間50到70阿秒的時間延遲［41］。3）穩(wěn)定的微波波段的光學(xué)原子鐘。美國研究人員實現(xiàn)基于10千兆赫茲的微波信號的光學(xué)原子鐘，微波信號的相位精確跟蹤光學(xué)時鐘相位，在電子域產(chǎn)生1×10？18的絕對分頻不穩(wěn)定性［42］。4）核時鐘。德國的古斯塔夫·赫茲獎頒發(fā)給德國路德維希馬克西米利安大學(xué)慕尼黑分校，以獎勵其首次直接和精確地測定釷-229異構(gòu)體的激發(fā)能，該研究可作為未來實現(xiàn)核時鐘的基礎(chǔ)［43］。

基于光子的量子計算優(yōu)勢研究。中國研究人員將50個不可分辨的單模壓縮態(tài)送入100模式全連通隨機矩陣超低損耗干涉儀中，用100個高效率的單光子探測器對輸出進(jìn)行采樣，獲得76個光子、約1030個狀態(tài)空間維度，這一采樣率比使用最先進(jìn)的經(jīng)典模擬策略和超級計算機快約1014倍。

2.2.4 粒子物理和核物理

標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。2020年的J.J.櫻井理論粒子物理學(xué)獎授予了美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家，他們開發(fā)了在對撞機上發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型粒子和測試它們相互作用的策略。

超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子或新物理學(xué)。1）任意子。法國，芬蘭等國家的研究人員在砷化鎵／砷化鋁鎵（GaAs／AlGaAs）的二維電子氣中建立了一個任意子對撞機，兩束任意子在分束器處發(fā)生碰撞，然后在兩個輸出處退出裝置，研究人員研究了輸出端電流波動的相關(guān)性，揭示了任意子的統(tǒng)計特征。2）希格斯玻色子。CERN的 ATLAS和CMS實驗新結(jié)果表明希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€μ子［44］。3）奇異結(jié)構(gòu)的四夸克粒子。CERN首次觀察到由兩個粲夸克和兩個反粲夸克組成的奇異結(jié)構(gòu)的四夸克粒子［45］。

原子核可以作為一個“實驗室”來精確檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本對稱性和尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。英國研究人員證實了原子核的八極形變［46］，將推動超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。美國研究人員發(fā)現(xiàn)了鍶-73和溴-73中束縛核基態(tài)的鏡像對稱性破壞的證據(jù)，觀察結(jié)果為研究作用于原子核的電荷對稱破缺力提供了新的見解［47］。

2.2.5 天體物理學(xué)領(lǐng)域

黑洞、暗物質(zhì)、引力波是天體物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

2020年是黑洞研究成果卓著的一年，物理學(xué)家正處于了解黑洞的黃金時代。2020年諾貝爾獎物理學(xué)獎頒給了三名研究黑洞等神秘宇宙天體的物理學(xué)家，表彰其發(fā)現(xiàn)黑洞；4月美國激光干涉引力波天文臺-歐洲處女座干涉儀（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory-Virgo interferometer，LIGO-Virgo）團(tuán)隊宣布，觀測到了最不對稱的黑洞并合；5月LIGO-Virgo團(tuán)隊宣布，發(fā)現(xiàn)迄今為止觀測到的最大質(zhì)量黑洞碰撞；9月科學(xué)家發(fā)表論文討論可能存在“極大質(zhì)量黑洞”；10月意大利、美國和西班牙的天文學(xué)家用甚大望遠(yuǎn)鏡觀測星系與黑洞，推測其起源。

暗物質(zhì)。1）暗物質(zhì)模型。意大利和美國等國的研究人員研究了11個星系團(tuán)中的小尺度的暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)，觀測結(jié)果相比于冷暗物質(zhì)模型預(yù)測的結(jié)果高出一個數(shù)量級［48］。2）暗物質(zhì)直接觀測。2020年，意大利裝有8噸冷態(tài)液態(tài)氙的“氙-NT”探測器被啟用；美國裝有10噸液態(tài)氙的“LUX-ZEPLIN”探測器也啟動。目前，我國采用液氙探測技術(shù)的PandaX（Particle and Astrophysical Xenon Experiments）暗物質(zhì)實驗，也將有效探測質(zhì)量提高到數(shù)噸的水平提高暗物質(zhì)尋找的靈敏度。3）暗物質(zhì)間接探測。西班牙研究人員發(fā)明了一種新的原子磁計，用來探測軸子暗物質(zhì)粒子［49］。我國研發(fā)了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（Dark Matter Particle Explorer，DAMPE），DAMPE數(shù)據(jù)觀測到超出平滑背景預(yù)期的尖銳信號和93個正負(fù)電子對，還需要尋找強有力的證據(jù)證明這些信號來自暗物質(zhì)［50］。

引力波。2020年，我國發(fā)射引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器衛(wèi)星（又名“極目”）追蹤引力波伴隨的電磁信號［51］。

2.3 化學(xué)及其交叉領(lǐng)域重要進(jìn)展

2020年底，美國《化學(xué)化工新聞》（Chemical＆Engineering News，C＆EN）期刊總結(jié)了發(fā)表在《自然》《科學(xué)》《美國化學(xué)會志》等頂級期刊上的具有重大意義的頂級研究成果，2020年化學(xué)前沿研究成果產(chǎn)生在合成化學(xué)、量子化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)以及能源化學(xué)等領(lǐng)域。

2.3.1 合成化學(xué)

2001年諾貝爾化學(xué)獎得主野依良治認(rèn)為，合成化學(xué)的未來向兼顧經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境友好、節(jié)省資源和能源方向發(fā)展。2020年的合成化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展體現(xiàn)了這一特點。同時，合成化學(xué)發(fā)展也受到計算科學(xué)發(fā)展的推動。

石墨烯、長鏈多糖、酰胺合成。美國科學(xué)家通過焦耳熱閃蒸技術(shù)可以將任何來源的碳在不到100毫秒的時間內(nèi)轉(zhuǎn)化成石墨烯，并實現(xiàn)克級制備［52］。德國科學(xué)家在自動多糖合成裝置中，僅用188小時就合成出了100個鏈段長度的多糖碳水化合物，收率為5%；研究人員還將合成的30和31個鏈段長度的寡糖通過偶聯(lián)反應(yīng)制備出151個鏈段長度的枝鏈聚甘露糖苷，收率41%。這一研究將促進(jìn)生物和材料科學(xué)的發(fā)展［53］。2020年9月，美國科學(xué)家通過多種技術(shù)改造面包酵母來使其生物合成托烷生物堿類以及莨菪生物堿類藥物。該方法有望取代生物提取方法，是一種環(huán)境友好型策略［54］。胺與羧酸偶聯(lián)形成酰胺鍵是發(fā)現(xiàn)藥物最常用的化學(xué)反應(yīng)，美國科學(xué)家通過計算表明，胺和酸可以有數(shù)百個轉(zhuǎn)換耦合，并通過實驗證明了十幾個這樣的反應(yīng)的應(yīng)用［55］。

2.3.2 化學(xué)理論與機制——化學(xué)模擬／量子化學(xué)

化學(xué)模型的建立需要對所研究的問題有全面和深入的了解，還需要與數(shù)學(xué)家和計算機科學(xué)家合作解決問題。2013年，諾貝爾化學(xué)獎獎勵了在多尺度化學(xué)系統(tǒng)模型領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。2020年化學(xué)模擬中的重要進(jìn)展借助了量子模擬。2020年8月，谷歌的AI量子機器人使用10～12個量子比特，采用變分量子本征解算器，在空間三個方向上模擬了重氮化合物的異構(gòu)化［56］。

2.3.3 能源化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)

能源和健康是人類未來面臨的重要挑戰(zhàn)。

2020年，美國科學(xué)家將聚3，4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）與普通紅磚結(jié)合，研發(fā)出了一種可存儲電能的超級電容器電極。這一成果有望作為靜態(tài)電能存儲單元并與房屋整合。例如，一面墻的某塊區(qū)域可作為充電模塊，直接為接入其中的手機、電腦等電子品供電［57］。

德國科學(xué)家深入研究100種生物學(xué)物種，發(fā)現(xiàn)了超過兩百萬種多肽和超過340000種新的蛋白質(zhì)，是科學(xué)家以前鑒定的蛋白質(zhì)總數(shù)的兩倍。該結(jié)果提供了可以比較整個進(jìn)化范圍內(nèi)生物體功能組織特點的機會，有利于促進(jìn)蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，進(jìn)一步加深人們對不同物種進(jìn)化過程的理解［58］。美國科學(xué)家描述了一個微環(huán)境映射平臺，該平臺利用光催化卡賓生成來選擇性地識別細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用。通過使用光催化劑－抗體偶聯(lián)物在空間上定位卡賓生成，證明了抗體結(jié)合靶標(biāo)及其微環(huán)境蛋白鄰居的選擇性標(biāo)記。這項技術(shù)確定了活淋巴細(xì)胞中程序性死亡配體微環(huán)境的組成蛋白，并在免疫突觸連接處選擇性標(biāo)記［59］。

2.4 納米科技領(lǐng)域重要進(jìn)展

納米科技領(lǐng)域的進(jìn)展主要從《科學(xué)》雜志遴選，以“Nano”為關(guān)鍵詞檢索，對“碳納米管表征和制備”“納米結(jié)構(gòu)合成”“納米器件”這三類論文數(shù)量較多的進(jìn)展進(jìn)行匯總，同時還選取了我國在“納米金屬材料”領(lǐng)域的重要進(jìn)展。

2.4.1 碳納米管表征和制備

碳納米管具有重量輕、機械強度大、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性好等特點，但是針對在反復(fù)暴露于亞臨界載荷后可能失效的問題，了解疲勞的原因是延長使用材料壽命的關(guān)鍵，碳納米管的生長也是對碳納米管不斷增長的工業(yè)需求的主要挑戰(zhàn)。在碳納米管表征和制造的研究中，中國研究人員發(fā)現(xiàn)碳納米管具有優(yōu)異的抗疲勞性能，這一性能與溫度有關(guān)，碳納米管的疲勞斷裂時間主要取決于第一缺陷產(chǎn)生的時間［60］。中國研究人員在10厘米的硅片上制備出排列良好的碳納米管陣列，密度達(dá)到每微米100到200個碳納米管。使用離子液體門控，性能指標(biāo)超過了具有類似尺寸的傳統(tǒng)硅晶體管［61］。美國研究人員通過使用單鏈DNA手柄包裹碳納米管，并將其結(jié)合到DNA磚中，形成了一系列通道，精確的管間距小到10.4納米，將碳納米管陣列連接到聚合物模板硅片上，構(gòu)建了具有高的導(dǎo)通性能和快速的開關(guān)特性的單通道和多通道場效應(yīng)晶體管。日本科學(xué)家創(chuàng)造了長度14厘米的碳納米管“森林”，是傳統(tǒng)碳納米管陣列中納米管最大長度的7倍［62］。

2.4.2 納米結(jié)構(gòu)的合成

美國、德國、波蘭和盧森堡的科學(xué)家合作，提出了一種直接在半導(dǎo)體金屬氧化物表面形成原子級精確的石墨烯納米帶的表面合成方法［63］。美國研究人員通過對硫化銅納米棒前驅(qū)體進(jìn)行七個連續(xù)的陽離子交換反應(yīng)，定義了合成65520個不同的多組分金屬硫化物納米棒的可行途徑［64］。美國和中國的研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了金、鉑和鈀納米顆粒中形成五倍孿晶的兩種不同途徑。該研究成果可以用于開發(fā)適合各種應(yīng)用的納米顆粒［65］。西班牙、比利時和美國的研究人員合作，證明在金納米粒子的種子生長過程中，尤其是對于高度各向異性的納米棒，可以誘導(dǎo)形態(tài)手性，研究為制備具有高手性光學(xué)活性的納米顆粒提供了一種可重復(fù)、簡單和可擴展的方法［66］。韓國、澳大利亞、美國的研究人員合作，基于三維液胞電子顯微鏡重建了一批處于溶液環(huán)境中的單個合成納米晶體的結(jié)構(gòu)［67］。

2.4.3 納米金屬材料

除了在納米制備領(lǐng)域我國取得的進(jìn)展之外，2020年，在納米金屬材料領(lǐng)域我國繼續(xù)取得重要進(jìn)展，在含有10nm晶粒的銅中發(fā)現(xiàn)了一種最小的界面結(jié)構(gòu)，當(dāng)與納米晶粒晶體孿晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)合時，該結(jié)構(gòu)在接近熔點的溫度下仍能保持高強度。在2000年和2004年，我國同一機構(gòu)在納米金屬的延展性、利用納米尺寸的孿晶強化金屬強度和導(dǎo)電性方面即取得重要進(jìn)展。

2.4.4 納米器件

1）美國研究人員在室溫下使用半導(dǎo)體納米線精確設(shè)計不對稱納米線電子棘輪，優(yōu)先在一個方向傳導(dǎo)電流，在室溫下表現(xiàn)為高頻幾何二極管，克服了更多傳統(tǒng)器件的限制，可應(yīng)用于能量收集和信號處理技術(shù)領(lǐng)域［68］。2）西班牙、美國、法國、葡萄牙、巴西的研究人員合作，開發(fā)了一種單納米尺度的石墨烯等離子體聲腔裝置［69］，腔體可以從遠(yuǎn)場有效地激發(fā)，并且可以在非常大的寬帶光譜上進(jìn)行電調(diào)諧。研究提供了一個研究超強耦合現(xiàn)象的平臺，還可以應(yīng)用于研發(fā)長波長光譜高效探測器和傳感器的領(lǐng)域。3）英國和澳大利亞的研究人員開發(fā)了一種基于交叉納米線（排列成散列結(jié)構(gòu)）的太赫茲探測器，能夠分辨太赫茲光的全部狀態(tài)（強度和偏振等）［70］。

3 基礎(chǔ)研究發(fā)展趨勢與建議

3.1 基礎(chǔ)研究政策動向

美國、歐盟、英國、日本、中國都加大基礎(chǔ)研究的投入。美國和英國通過改革基礎(chǔ)研究資助機構(gòu)的方式加強研究成果的轉(zhuǎn)化。量子信息科學(xué)、AI是各國關(guān)注的重點，這兩個技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展需要以多學(xué)科交叉為基礎(chǔ)，還需要注重基礎(chǔ)研究的成果轉(zhuǎn)化。除此之外，美國重視半導(dǎo)體、核聚變與等離子體科學(xué)，歐盟繼續(xù)對粒子物理學(xué)進(jìn)行規(guī)劃，英國大力投資國內(nèi)外數(shù)學(xué)和物理人才。

3.2 基礎(chǔ)前沿交叉學(xué)科發(fā)展趨勢

學(xué)科內(nèi)部與學(xué)科之間表現(xiàn)出聯(lián)系日益緊密的趨勢，這一趨勢讓學(xué)科的發(fā)展更趨向于其本質(zhì)。計算機學(xué)科作為一個本文中所討論的四個領(lǐng)域都有交叉的學(xué)科，正向這四個領(lǐng)域滲透，計算設(shè)施正逐漸成為與大型科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施相互并列的一個基礎(chǔ)設(shè)施。物理學(xué)研究不斷向超微觀方面深入和超宏觀拓展，在這一過程中，基于學(xué)科發(fā)展基礎(chǔ)、開展國際合作、建立運營大科學(xué)裝置的組合措施將發(fā)揮重要的作用。

3.3 建議

化學(xué)不斷與生物學(xué)、能源、量子計算等深度融合，納米科技重視基礎(chǔ)研究，同時重視應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化?；瘜W(xué)和納米科技的發(fā)展在解決能源、健康等重大社會挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。結(jié)合任務(wù)導(dǎo)向型項目在發(fā)展中易于出現(xiàn)的問題，在部署化學(xué)和納米科技領(lǐng)域的任務(wù)導(dǎo)向型的項目過程中，需要注意識別并資助共性科學(xué)問題，以基礎(chǔ)研究的深入發(fā)展推動高質(zhì)量的成果轉(zhuǎn)化，避免資源重復(fù)投入。

基礎(chǔ)前沿交叉研究促進(jìn)量子信息科學(xué)技術(shù)和AI等變革性技術(shù)發(fā)展。量子計算基于光子、超導(dǎo)、超冷原子等物理體系作為量子位，阿秒測量、原子鐘、核時鐘等的深入研究將推動量子精密測量發(fā)展。數(shù)學(xué)模型將與AI融合發(fā)展。我國在AI的基礎(chǔ)研究中，有一些較為公知的短板問題，我國學(xué)者和國外的機構(gòu)也發(fā)布AI和量子信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)研究需要解決的問題或者是發(fā)展路線。然而，如何識別和明確這些研究短板的優(yōu)先次序或者整體布局，將國際上提出的發(fā)展量子信息科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)研究的前沿與我國現(xiàn)有研究基礎(chǔ)相互結(jié)合，以及基于此制定我國發(fā)展這兩個技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)研究學(xué)科的政策，則需要發(fā)展量子信息科學(xué)技術(shù)、AI技術(shù)的政策制定者與廣泛的利益相關(guān)方共同協(xié)商確定。