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科技创新相关管理和决策部门的领导，相关科技领域的科学家
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| 內容簡介： |
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国家科学图书馆部署总馆、兰州分馆、成都分馆、武汉分馆以及上海生命科学信息中心等相关单位的科技战略情报研究团队，选择自旋电子器件、铅铋合金冷却系统、小麦锈病、生物信息技术、药用植物资源、深海油气勘探开发、流域水资源管理、新型原子钟、类人机器人、小型模块式核能反应堆，以及集成计算材料工程等11个科技创新前沿领域、前沿学科、热点问题或技术领域，开展了系统的国际发展态势分析研究，全面分析了上述领域国际科技发展的整体进展状况、研究动态和发展趋势，为我国开展相关领域的研究提供了良好的国际借鉴，也提出了我国开展相关领域研究的对策建议或启示，对推动我国这些科技领域的深入发展具有重要的现实意义。
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| 目錄：
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目 录
前言
1 量子计算国际发展态势分析1 11 引言2 12 世界各国 组织量子计算研究现状3 13 量子计算研究论文计量分析11 14 量子计算技术专利态势分析16 15 研究总结与建议23 2 锂离子电池正极材料国际发展态势分析27 21 引言28 22 锂离子电池正极材料研究现状及论文计量分析31 23 锂离子电池正极材料专利分析38 24 建议与对策50 3 微生物农药国际发展态势分析53 31 引言54 32 微生物农药研究领域的文献计量分析55 33 微生物农药专利分析84 34 微生物农药产业发展态势104 35 结论与建议113 4 工业酶领域国际发展态势分析118 41 引言119 42 国际规划与举措120 43 国际工业酶研究与应用现状127 44 工业酶产业发展现状147 45 总结与建议156 5 个性化医疗领域国际发展态势分析160 51 引言161 52 个性化医疗政策规划162 53 个性化医疗发展趋势177 54 个性化医疗产业现状 192
ⅲ
55 政策建议195 6 环境污染与健康研究国际发展态势分析200 61 引言201 62 各国环境污染与健康发展战略与计划203 63 环境污染与健康研究文献计量分析212 64 环境污染与健康研究进展及动向226 65 我国环境污染与健康研究现状236 66 结论与建议240 附录 环境污染与健康研究国际发展态势分析检索式248 7 人类世研究国际发展态势分析250 71 引言251 72 国外人类世研究现状254 73 我国人类世研究现状269 74 人类世研究前沿热点270 75 人类世主要研究方向281 76 人类世的科学反思 ———地球系统管理285 77 结论与建议286 附录 人类世工作小组成员表292 8 国际空间站物理科学研究前沿发展态势分析294 81 引言295 82 主要国家 地区微重力物理科学研究历程?重要计划及未来发展战略297 83 国际空间站物理科学实验研究态势及其产出分析310 84 国际空间站物理科学研究设备337 85 研究结论344 86 启示与建议346 9 大数据研究国际发展态势分析351 91 引言352 92 各国大数据发展战略与政策分析354 93 大数据关键技术研发与应用态势377 94 大数据科学与工程的关键问题与挑战389 95 总结与建议396 10 仿生机器人国际发展态势分析402 10 1 引言403 10 2 国内外机器人研究战略与计划 406
ⅳ
10 3 仿生机器人研究进展411 10 4 仿生机器人研究的部分关键技术419 10 5 仿生机器人相关专利计量分析425 10 6 结语与启示434 附录 专利检索策略438 11 压缩空气储能技术国际发展态势分析439 11 1 引言440 11 2 压缩空气储能系统与经济性441 11 3 压缩空气储能应用与发展445 11 4 压缩空气储能技术专利总体态势分析454 11 5 发展对策465
彩图
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1 量子计算国际发展态势分析
黄龙光 刘小平 李泽霞 冷伏海
中国科学院文献情报中心
①本书中.除注明具体年份外.近3年指2011 ~2013年
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1..1 引言
量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式 周正威等.2005.量子计算利用量子态的相干叠加性和纠缠特性来实现量子的并行计算.这些特性可以指数倍的提高计算速度.远超经典计算.因此量子计算可以用来解决一些经典计算难以解决的问题.由于量子计算相对于经典计算的巨大优势.近年来.量子计算已成为物理学领域最活跃的研究前沿之一.量子计算研究的最终目标是实现真正意义上的量子计算机.科学家认为.量子计算机将掀起一场划时代的科学革命.量子计算机具有强大的计算能力.可以增强人类分析解决问题的能力.从而促进各领域的研究.
1..1..1 量子计算的发展历程
量子计算的研究工作始于20世纪80年代.1980年.美国阿贡国家实验室的保罗 ..贝尼奥夫PaulBenioff提出用量子物理系统来有效地模拟经典计算机Benioff.1980.1982年.美国著名物理学家理查德 ..费曼RichardFeynman提出了量子计算机的设想Feynman.1982.1985年.英国牛津大学的戴维 ..多伊奇DavidDeutsch明确提出了量子计算机的概念.并指出任何物理过程原则上都能很好地被量子计算机模拟Deutsch.1985.1994年.美国贝尔实验室的彼得 ..肖尔PeterShor提出大数因子分解的量子算法Shor.1994.证明运用量子计算机能有效地进行大数的因式分解.这一算法展示了量子计算的广泛用途.并极大地威胁到了以大数质因数分解难题为基础?广泛用于当今银行和政府部门的RSA密钥体系.自此.物理学界掀起了研究量子计算的热潮.世界各国的大学?研究机构和企业都纷纷投入到量子计算的研究中.进入21世纪之际.量子计算的研究也开始从理论进入到实验研究.研究人员在核磁共振?离子阱?线性光学?超导约瑟夫森结?量子点等物理系统上.开展了量子计算的基础研究.
1..1..2 量子计算的研究现状
目前.量子算法和量子计算的物理实现是量子计算的两大热点研究方向.
量子算法是能在量子计算机上运行的算法.它利用了量子相干性或其他量子特性.能够提高计算速度.在Feynman提出量子计算机设想后.研究人员陆续提出Deutsch￣Jozsa算法Deutsch.Jozsa.1992和Simon算法Simon.1994等量子算法.这些算法显示了量子计算的威力.但不能应用于求解与实际生活密切相关的重要问题.1994年的量子Shor算法和1997年的Grover算法Grover.1997是目前最具广泛影响的两种量子算法.前者可以用于求解大数的质因子分解.进而可以攻破RSA密钥系统.后者能实现平方加速.即只需要根据数据库大小的平方根次搜索就能找到答案.正是这两种量子算法的出现.使量子计算成为了物理学领域的国际热点研究前沿.量子随机行走Aharonovetal ...1993
2
利用了量子力学的态相干叠加.被广泛应用于量子算法的研究.是量子计算的一个重要研究方向.近年来.几乎没有新的量子工具出现.量子算法的研究主要围绕现有的核心量子算法展开深入研究.如实现21的质因数分解Martín￣Lópezetal ...2012?基于Grover算法延拓的计算几何算法Furrow.2008?利用量子随机行走进行普适量子计算Childsetal ...2009.2013.Lovettetal ...2010等.
量子计算研究的最终目标是实现真正意义上的量子计算机.2000年.美国IBM公司的DiVincenzo提出了在具体物理体系中建造量子计算机的判据.原则上.任何真正意义上的量子计算机都需要满足DiVincenzo判据DiVincenzo.2000.量子计算的物理实现主要包括量子光学和凝聚态物理等方法.应用量子光学方法的技术主要有离子阱Cirac.Zoller.1995?中性原子Jakschetal ...1998?线性光学Knilletal ...2001?量子点Loss.DiVincenzo.1998?腔量子电动力学Turchetteetal ...1995等.应用凝聚态物理方法的技术主要有超导约瑟夫森结Shnirmanetal ...1997?液态核磁共振Gershenfeld.Chuang.1997?金刚石NV色心Gruberetal ...1997等.近年来.这些技术都取得了重大进展.如在线性离子阱系统中实现了14个量子比特的纠缠态的制备Monzetal ...2011.在线性光学系统中实现了Shor量子分解算法Luetal ...2007.在半导体量子点器件上实现了量子计算的全部要素Nowacketal ...2007.提出超导量子计算的RezQu 振子-零态量子比特 构建Galiautdinovetal ...2012.研制出冯 ..诺伊曼结构的量子计算机系统Mariantonietal ...2011.等等.然而.哪些方案能在未来实现真正的量子计算机.还有待进一步的研究.2011年.加拿大D￣Wave公司发布全球第一台商用量子计算机.然而.D￣Wave量子计算机是否是真正意义上的量子计算机.一直备受争议和质疑.
1..2 世界各国 组织量子计算研究现状
1..2..1 美国
美国投入巨资支持量子计算的研究.而且.资助量子计算研究的机构众多.如美国国防部高级研究计划局DARPA?国家科学基金会NSF?情报高级研究计划局IARPA?国家安全局?国家航空航天局?能源部和国家标准与技术研究院等.
1..2..1..1 美国DARPA对量子计算的资助
美国DARPA对量子计算一直都很重视.从20世纪90年代开始就大力资助量子计算相关的研究.1997年.DARPA资助500万美元支持量子信息与计算研究所研究量子计算及其应用.从90年代末到2013年.DARPA在国防研究科学?电子学技术和通信技术等领域对量子计算进行了多方面的支持.1998年投入568万美元.用于研究能实现量子计算技术的计算模型.2000年投入400万美元.开发量子计算的新算法.研究量子计算的排序和输入?输出机制等.2001年投入400万美元.模拟量子计算新算法.并评估其与传统方
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法的速度对比及量子计算排序和输入?输出机制的原型验证等.
2001年.美国DARPA启动了为期5年的 .量子信息科学与技术计划 .QuIST.资助金额为约1亿美元.其目标是全方位开展研究以产生基于量子信息科学的新技术.历年的资助金额和研究内容见表1￣1.2005年.DARPA启动了 .重点量子系统计划. FoQuS.以将QuIST计划获得的技术用于开发先进的量子信息处理器.重点研究架构开发?量子存储器?输入输出接口?态合成器及材料和器件的纳米制造等.目的是加速量子计算机的开发.FoQuS计划在2005年的资助经费为2228万美元.2006年为2470万美元.2007年.FoQuS计划更名为 “量子纠缠科学与技术计划 ”QUEST.由于2007年DARPA在国防研究科学领域也设立了QUEST计划.2008年起.在电子学技术领域资助的QUEST计划更名为 “量子信息科学计划 ”QIS.
表1￣1 QuIST计划历年资助经费及研究内容
年份2001 资助经费 万美元1429 研究内容研究能把可靠?可扩展的量子比特制造为器件的技术.研究超越因子分解和无序搜索?能有效提高量子计算机效率的新问题
2002 1539 研究固态量子比特存储器?可靠生成纠缠量子比特等用于容错通信和计算的设计
和器件
为量子通信和量子计算开发模型和可扩展架构.验证单光子源和探测器.研发在
2003 2060 更小量子计算机上模拟大型量子问题的方法.研究成千上万个量子比特的纠错.
验证可扩展的量子计算和存储架构
验证改进的单光子源和纠缠光子源及探测器.研究可用于量子通信?量子计算和
2004 2727 量子存储器的设计?架构和器件.验证容错固态量子比特存储器和至少两个纠缠
量子比特的量子逻辑门
验证改进的单光子源和纠缠光子源及探测器.研究可用于量子通信?量子计算和
2005 2544 量子存储器的设计?架构和器件.验证容错固态量子比特存储器和至少两个纠缠量子比特的量子逻辑门.用可扩展量子比特架构验证国防部感兴趣的应用 如量子中继器
国防研究科学领域的QUEST计划自2007年起的年度资助经费见表1￣2.QUEST计划探索建立基于量子信息科学的新技术所需的研究.其技术挑战包括 :量子退相干导致的信息丢失?信号衰减导致的有限通信距离?算法和协议的有限选择.以及数量更多的量子比特.关键挑战之一是将改进的单光子?纠缠光子和电子源.以及探测器集成到量子计算和近信网络中.纠错码?容错方案以及较长的退相干时间将解决信息丢失问题.该计划的研究成果将对高度安全的通信?物流优化算法?地球上和太空中时间和位置的精确测量?用于目标跟踪的新的图像和信号处理方法产生重大影响.
表1￣2 QUEST计划历年资助经费及研究内容
年份资助经费 万美元研究内容
开发减少退相干导致的信息丢失的方法.研发非邻近量子比特之间快速通信的技2007393术.开发新的量子算法2008442探索纠缠?退相干?多体量子系统等基础量子系统.开发与量子信息科学密切相
关的新算法和新协议.研究小量子系统
4
续表
年份 资助经费 万美元 研究内容
2009 1480 开发提高退相干时间的方法.设计纠缠量子系统的全面表征和操纵.开发新的量
子算法
2010 880 继续量子信息领域的基础研究.开发提高退相干时间的新方法.验证新量子算法
2011 1913 继续量子信息领域的基础研究.验证纠缠量子系统的全面表征和操纵
2012 509 继续量子信息领域的基础研究.表征和操纵纠缠量子系统
2008年起.QIS计划的年度资助经费见表1￣3.QIS计划是一项基础广泛的工作.将继续探索未决的基础问题.发现新算法.探索量子处理的理论和实验局限性.构建高效的实现方法.该领域研究的最终目标是.证明量子力学效应在通信和计算中潜在的优势.
表1￣3 QIS计划历年资助经费及研究内容
年份资助经费 万美元研究内容
把改进的单光子源和纠缠光子源及探测器集成到现有的量子通信网络.研究量子2008197信息科学未决的基础问题.用量子比特架构验证国防部感兴趣的应用 如量子中继器?大城市区域的安全网络等
研究量子信息科学未决的基础问题.用量子比特架构验证国防部感兴趣的应用 2009799如量子中继器?大城市区域的安全网络等.验证多量子比特类型之间的交互以连接量子通信链接
测量单电子自旋寿命和在硅片上的门控量子点验证可控门运算.对动力学去耦引2010342起的退相干时间的提高开展理论分析.为超导量子比特探索新材料?噪声特征和减少退相干策略
测量硅片上门控量子点单电子自旋的退相干时间.在硅片上的量子器件验证量子2011714交换协议.实施一个和两个超导量子比特的断层扫描态和色散读出.通过材料改进制造高质量超导隧道结
2012470验证量子信息从一种类型变为另一种类型的互换.验证微观尺度量子信息的输运
在量子比特上实施断层扫描态.验证不同量子比特技术之间的量子信息互换.验2013235证微观尺度量子信息的输运
1..2..1..2 美国NSF资助的与量子计算有关的项目
美国NSF长期保持对量子计算相关项目的资助.2000年开始.NSF在信息技术研究计划中大力支持量子计算的研究.2002年.NSF设立 “量子和生物启发的计算 ”QuBIC.在量子信息科学方面重点资助两个方面.与量子信息科学相关的物理基础研究和开发通用计算?系统级计算设计及特定用途算法所需的量子计算
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