了得網自然科學_國際科學技術前沿報告2014

編輯推薦

《國際科學技術前沿報告2014》所闡述的科技前沿領域或熱點問題，選題新穎，具有前瞻性，分

析數據準確，資料翔實，研發對策建議可操作性強，適合政府科技管理部

門和科研機構的管理者、科技戰略研究人員和相關學科領域的研究人員及

高校師生閱讀。

內容簡介

《國際科學技術前沿報告2014》從基礎科學、生命科學與生物技術、資源環境科學與技術、戰略

高技術等四大科學技術領域選擇量子計算、鋰離子電池正極材料、微生物

農藥、工業酶、個性化醫療、環境污染與健康、人類世、國際空間站物理

科學、大數據、仿生機器人、壓縮空氣儲能技術等11 個科技創新前沿領

域、前沿學科、熱點問題或技術領域，逐一對其進行國際研究發展態勢的

繫統分析，全面剖析這些前沿領域、熱點學科或問題的國際科技發展的整

體進展狀況、研究動態與發展趨勢、國際競爭發展態勢，並提出我國開展

這些相關前沿領域和熱點問題研究的對策建議，為我國這些領域的科技創

新發展戰略決策提供重要的決策依據，為有關科研機構開展這些科技領域

的研究提供國際發展的參考背景。

目錄
前言
1 量子計算國際發展態勢分析(1) 11 引言(2) 12 世界各國 /組織量子計算研究現狀(3) 13 量子計算研究論文計量分析(11) 14 量子計算技術專利態勢分析(16) 15 研究總結與建議(23) 2 鋰離子電池正極材料國際發展態勢分析(27) 21 引言(28) 22 鋰離子電池正極材料研究現狀及論文計量分析(31) 23 鋰離子電池正極材料專利分析(38) 24 建議與對策(50) 3 微生物農藥國際發展態勢分析(53) 31 引言(54) 32 微生物農藥研究領域的文獻計量分析(55) 33 微生物農藥專利分析(84) 34 微生物農藥產業發展態勢(104) 35 結論與建議(113) 4 工業酶領域國際發展態勢分析(118) 41 引言(119) 42 國際規劃與舉措(120) 43 國際工業酶研究與應用現狀(127) 44 工業酶產業發展現狀(147) 45 總結與建議(156) 5 個性化醫療領域國際發展態勢分析(160) 51 引言(161) 52 個性化醫療政策規劃(162) 53 個性化醫療發展趨勢(177) 54 個性化醫療產業現狀 (192)
ⅲ目錄

前言

1 量子計算國際發展態勢分析(1) 11 引言(2) 12 世界各國 /組織量子計算研究現狀(3) 13 量子計算研究論文計量分析(11) 14 量子計算技術專利態勢分析(16) 15 研究總結與建議(23) 2 鋰離子電池正極材料國際發展態勢分析(27) 21 引言(28) 22 鋰離子電池正極材料研究現狀及論文計量分析(31) 23 鋰離子電池正極材料專利分析(38) 24 建議與對策(50) 3 微生物農藥國際發展態勢分析(53) 31 引言(54) 32 微生物農藥研究領域的文獻計量分析(55) 33 微生物農藥專利分析(84) 34 微生物農藥產業發展態勢(104) 35 結論與建議(113) 4 工業酶領域國際發展態勢分析(118) 41 引言(119) 42 國際規劃與舉措(120) 43 國際工業酶研究與應用現狀(127) 44 工業酶產業發展現狀(147) 45 總結與建議(156) 5 個性化醫療領域國際發展態勢分析(160) 51 引言(161) 52 個性化醫療政策規劃(162) 53 個性化醫療發展趨勢(177) 54 個性化醫療產業現狀 (192)

ⅲ

55 政策建議(195) 6 環境污染與健康研究國際發展態勢分析(200) 61 引言(201) 62 各國環境污染與健康發展戰略與計劃(203) 63 環境污染與健康研究文獻計量分析(212) 64 環境污染與健康研究進展及動向(226) 65 我國環境污染與健康研究現狀(236) 66 結論與建議(240) 附錄環境污染與健康研究國際發展態勢分析檢索式(248) 7 人類世研究國際發展態勢分析(250) 71 引言(251) 72 國外人類世研究現狀(254) 73 我國人類世研究現狀(269) 74 人類世研究前沿熱點(270) 75 人類世主要研究方向(281) 76 人類世的科學反思 ———地球繫統管理(285) 77 結論與建議(286) 附錄人類世工作小組成員表(292) 8 國際空間站物理科學研究前沿發展態勢分析(294) 81 引言(295) 82 主要國家 /地區微重力物理科學研究歷程?重要計劃及未來發展戰略(297) 83 國際空間站物理科學實驗研究態勢及其產出分析(310) 84 國際空間站物理科學研究設備(337) 85 研究結論(344) 86 啟示與建議(346) 9 大數據研究國際發展態勢分析(351) 91 引言(352) 92 各國大數據發展戰略與政策分析(354) 93 大數據關鍵技術研發與應用態勢(377) 94 大數據科學與工程的關鍵問題與挑戰(389) 95 總結與建議(396) 10 仿生機器人國際發展態勢分析(402) 10 1 引言(403) 10 2 國內外機器人研究戰略與計劃 (406)

ⅳ

10 3 仿生機器人研究進展(411) 10 4 仿生機器人研究的部分關鍵技術(419) 10 5 仿生機器人相關專利計量分析(425) 10 6 結語與啟示(434) 附錄專利檢索策略(438) 11 壓縮空氣儲能技術國際發展態勢分析(439) 11 1 引言(440) 11 2 壓縮空氣儲能繫統與經濟性(441) 11 3 壓縮空氣儲能應用與發展(445) 11 4 壓縮空氣儲能技術專利總體態勢分析(454) 11 5 發展對策(465)

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1 量子計算國際發展態勢分析

黃龍光劉小平李澤霞冷伏海
(中國科學院文獻情報中心 )

①本書中.除注明具體年份外.近3年指2011 ~2013年
1
11 引言
量子計算是應用量子力學原理來進行有效計算的新穎計算模式 (周正威等.2005).量子計算利用量子態的相干疊加性和糾纏特性來實現量子的並行計算.這些特性可以指數倍的提高計算速度.遠超經典計算.因此量子計算可以用來解決一些經典計算難以解決的問題.由於量子計算相對於經典計算的巨大優勢.近年來.量子計算已成為物理學領域最活躍的研究前沿之一.量子計算研究的最終目標是實現真正意義上的量子計算機.科學家認為.量子計算機將掀起一場劃時代的科學革命.量子計算機具有強大的計算能力.可以增強人類分析解決問題的能力.從而促進各領域的研究.
111 量子計算的發展歷程
量子計算的研究工作始於20世紀80年代.1980年.美國阿貢國家實驗室的保羅貝尼奧夫(PaulBenioff)提出用量子物理繫統來有效地模擬經典計算機(Benioff.1980).1982年.美國著名物理學家理查德費曼(RichardFeynman)提出了量子計算機的設想(Feynman.1982).1985年.英國牛津大學的戴維多伊奇(DavidDeutsch)明確提出了量子計算機的概念.並指出任何物理過程原則上都能很好地被量子計算機模擬(Deutsch.1985).1994年.美國貝爾實驗室的彼得肖爾(PeterShor)提出大數因子分解的量子算法(Shor.1994).證明運用量子計算機能有效地進行大數的因式分解.這一算法展示了量子計算的廣泛用途.並極大地威脅到了以大數質因數分解難題為基礎?廣泛用於當今銀行和政府部門的RSA密鑰體繫.自此.物理學界掀起了研究量子計算的熱潮.世界各國的大學?研究機構和企業都紛紛投入到量子計算的研究中.進入21世紀之際.量子計算的研究也開始從理論進入到實驗研究.研究人員在核磁共振?離子阱?線性光學?超導約瑟夫森結?量子點等物理繫統上.開展了量子計算的基礎研究.1 量子計算國際發展態勢分析

黃龍光劉小平李澤霞冷伏海

(中國科學院文獻情報中心 )

①本書中.除注明具體年份外.近3年指2011 ~2013年

1

11 引言

量子計算是應用量子力學原理來進行有效計算的新穎計算模式 (周正威等.2005).量子計算利用量子態的相干疊加性和糾纏特性來實現量子的並行計算.這些特性可以指數倍的提高計算速度.遠超經典計算.因此量子計算可以用來解決一些經典計算難以解決的問題.由於量子計算相對於經典計算的巨大優勢.近年來.量子計算已成為物理學領域最活躍的研究前沿之一.量子計算研究的最終目標是實現真正意義上的量子計算機.科學家認為.量子計算機將掀起一場劃時代的科學革命.量子計算機具有強大的計算能力.可以增強人類分析解決問題的能力.從而促進各領域的研究.

111 量子計算的發展歷程

量子計算的研究工作始於20世紀80年代.1980年.美國阿貢國家實驗室的保羅貝尼奧夫(PaulBenioff)提出用量子物理繫統來有效地模擬經典計算機(Benioff.1980).1982年.美國著名物理學家理查德費曼(RichardFeynman)提出了量子計算機的設想(Feynman.1982).1985年.英國牛津大學的戴維多伊奇(DavidDeutsch)明確提出了量子計算機的概念.並指出任何物理過程原則上都能很好地被量子計算機模擬(Deutsch.1985).1994年.美國貝爾實驗室的彼得肖爾(PeterShor)提出大數因子分解的量子算法(Shor.1994).證明運用量子計算機能有效地進行大數的因式分解.這一算法展示了量子計算的廣泛用途.並極大地威脅到了以大數質因數分解難題為基礎?廣泛用於當今銀行和政府部門的RSA密鑰體繫.自此.物理學界掀起了研究量子計算的熱潮.世界各國的大學?研究機構和企業都紛紛投入到量子計算的研究中.進入21世紀之際.量子計算的研究也開始從理論進入到實驗研究.研究人員在核磁共振?離子阱?線性光學?超導約瑟夫森結?量子點等物理繫統上.開展了量子計算的基礎研究.

112 量子計算的研究現狀

目前.量子算法和量子計算的物理實現是量子計算的兩大熱點研究方向.

量子算法是能在量子計算機上運行的算法.它利用了量子相干性或其他量子特性.能夠提高計算速度.在Feynman提出量子計算機設想後.研究人員陸續提出Deutsch￣Jozsa算法(Deutsch.Jozsa.1992)和Simon算法(Simon.1994)等量子算法.這些算法顯示了量子計算的威力.但不能應用於求解與實際生活密切相關的重要問題.1994年的量子Shor算法和1997年的Grover算法(Grover.1997)是目前最具廣泛影響的兩種量子算法.前者可以用於求解大數的質因子分解.進而可以攻破RSA密鑰繫統.後者能實現平方加速.即隻需要根據數據庫大小的平方根次搜索就能找到答案.正是這兩種量子算法的出現.使量子計算成為了物理學領域的國際熱點研究前沿.量子隨機行走(Aharonovetal 1993)

2

利用了量子力學的態相干疊加.被廣泛應用於量子算法的研究.是量子計算的一個重要研究方向.近年來.幾乎沒有新的量子工具出現.量子算法的研究主要圍繞現有的核心量子算法展開深入研究.如實現21的質因數分解(Martín￣Lópezetal 2012)?基於Grover算法延拓的計算幾何算法(Furrow.2008)?利用量子隨機行走進行普適量子計算(Childsetal 2009.2013.Lovettetal 2010)等.

量子計算研究的最終目標是實現真正意義上的量子計算機.2000年.美國IBM公司的DiVincenzo提出了在具體物理體繫中建造量子計算機的判據.原則上.任何真正意義上的量子計算機都需要滿足DiVincenzo判據(DiVincenzo.2000).量子計算的物理實現主要包括量子光學和凝聚態物理等方法.應用量子光學方法的技術主要有離子阱(Cirac.Zoller.1995)?中性原子(Jakschetal 1998)?線性光學(Knilletal 2001)?量子點(Loss.DiVincenzo.1998)?腔量子電動力學(Turchetteetal 1995)等.應用凝聚態物理方法的技術主要有超導約瑟夫森結(Shnirmanetal 1997)?液態核磁共振(Gershenfeld.Chuang.1997)?金剛石NV色心(Gruberetal 1997)等.近年來.這些技術都取得了重大進展.如在線性離子阱繫統中實現了14個量子比特的糾纏態的制備(Monzetal 2011).在線性光學繫統中實現了Shor量子分解算法(Luetal 2007).在半導體量子點器件上實現了量子計算的全部要素(Nowacketal 2007).提出超導量子計算的RezQu (振子-零態量子比特 )構建(Galiautdinovetal 2012).研制出馮諾伊曼結構的量子計算機繫統(Mariantonietal 2011).等等.然而.哪些方案能在未來實現真正的量子計算機.還有待進一步的研究.2011年.加拿大D￣Wave公司發布全球第一臺商用量子計算機.然而.D￣Wave量子計算機是否是真正意義上的量子計算機.一直備受爭議和質疑.

12 世界各國 /組織量子計算研究現狀

121 美國

美國投入巨資支持量子計算的研究.而且.資助量子計算研究的機構眾多.如美國國防部高級研究計劃局(DARPA)?國家科學基金會(NSF)?情報高級研究計劃局(IARPA)?國家安全局?國家航空航天局?能源部和國家標準與技術研究院等.

1211 美國DARPA對量子計算的資助

美國DARPA對量子計算一直都很重視.從20世紀90年代開始就大力資助量子計算相關的研究.1997年.DARPA資助50支持量子信息與計算研究所研究量子計算及其應用.從90年代末到2013年.DARPA在國防研究科學?電子學技術和通信技術等領域對量子計算進行了多方面的支持.1998年投入56.用於研究能實現量子計算技術的計算模型.2000年投入40.開發量子計算的新算法.研究量子計算的排序和輸入?輸出機制等.2001年投入40.模擬量子計算新算法.並評估其與傳統方

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法的速度對比及量子計算排序和輸入?輸出機制的原型驗證等.

2001年.美國DARPA啟動了為期5年的 .量子信息科學與技術計劃 .(QuIST).資助金額為約.其目標是全方位開展研究以產生基於量子信息科學的新技術.歷年的資助金額和研究內容見表1￣1.2005年.DARPA啟動了 .重點量子繫統計劃. (FoQuS).以將QuIST計劃獲得的技術用於開發先進的量子信息處理器.重點研究架構開發?量子存儲器?輸入輸出接口?態合成器及材料和器件的納米制造等.目的是加速量子計算機的開發.FoQuS計劃在2005年的資助經費為222.2006年為247.2007年.FoQuS計劃更名為 “量子糾纏科學與技術計劃 ”(QUEST).由於2007年DARPA在國防研究科學領域也設立了QUEST計劃.2008年起.在電子學技術領域資助的QUEST計劃更名為 “量子信息科學計劃 ”(QIS).

表1￣1 QuIST計劃歷年資助經費及研究內容

年份2001 資助經費 1429 研究內容研究能把可靠?可擴展的量子比特制造為器件的技術.研究超越因子分解和無序搜索?能有效提高量子計算機效率的新問題

2002 1539 研究固態量子比特存儲器?可靠生成糾纏量子比特等用於容錯通信和計算的設計

和器件

為量子通信和量子計算開發模型和可擴展架構.驗證單光子源和探測器.研發在

2003 2060 更小量子計算機上模擬大型量子問題的方法.研究成千上萬個量子比特的糾錯.

驗證可擴展的量子計算和存儲架構

驗證改進的單光子源和糾纏光子源及探測器.研究可用於量子通信?量子計算和

2004 2727 量子存儲器的設計?架構和器件.驗證容錯固態量子比特存儲器和至少兩個糾纏

量子比特的量子邏輯門

驗證改進的單光子源和糾纏光子源及探測器.研究可用於量子通信?量子計算和

2005 2544 量子存儲器的設計?架構和器件.驗證容錯固態量子比特存儲器和至少兩個糾纏量子比特的量子邏輯門.用可擴展量子比特架構驗證國防部感興趣的應用 (如量子中繼器 )

國防研究科學領域的QUEST計劃自2007年起的年度資助經費見表1￣2.QUEST計劃探索建立基於量子信息科學的新技術所需的研究.其技術挑戰包括 :量子退相干導致的信息丟失?信號衰減導致的有限通信距離?算法和協議的有限選擇.以及數量更多的量子比特.關鍵挑戰之一是將改進的單光子?糾纏光子和電子源.以及探測器集成到量子計算和近信網絡中.糾錯碼?容錯方案以及較長的退相干時間將解決信息丟失問題.該計劃的研究成果將對高度安全的通信?物流優化算法?地球上和太空中時間和位置的精確測量?用於目標跟蹤的新的圖像和信號處理方法產生重大影響.

表1￣2 QUEST計劃歷年資助經費及研究內容

年份資助經費研究內容

開發減少退相干導致的信息丟失的方法.研發非鄰近量子比特之間快速通信的技2007393術.開發新的量子算法2008442探索糾纏?退相干?多體量子繫統等基礎量子繫統.開發與量子信息科學密切相

關的新算法和新協議.研究小量子繫統

4

續表

年份資助經費研究內容

2009 1480 開發提高退相干時間的方法.設計糾纏量子繫統的全面表征和操縱.開發新的量

子算法

2010 880 繼續量子信息領域的基礎研究.開發提高退相干時間的新方法.驗證新量子算法

2011 1913 繼續量子信息領域的基礎研究.驗證糾纏量子繫統的全面表征和操縱

2012 509 繼續量子信息領域的基礎研究.表征和操縱糾纏量子繫統

2008年起.QIS計劃的年度資助經費見表1￣3.QIS計劃是一項基礎廣泛的工作.將繼續探索未決的基礎問題.發現新算法.探索量子處理的理論和實驗局限性.構建高效的實現方法.該領域研究的最終目標是.證明量子力學效應在通信和計算中潛在的優勢.

表1￣3 QIS計劃歷年資助經費及研究內容

年份資助經費研究內容

把改進的單光子源和糾纏光子源及探測器集成到現有的量子通信網絡.研究量子2008197信息科學未決的基礎問題.用量子比特架構驗證國防部感興趣的應用 (如量子中繼器?大城市區域的安全網絡等 )

研究量子信息科學未決的基礎問題.用量子比特架構驗證國防部感興趣的應用 2009799(如量子中繼器?大城市區域的安全網絡等).驗證多量子比特類型之間的交互以連接量子通信鏈接

測量單電子自旋壽命和在硅片上的門控量子點驗證可控門運算.對動力學去耦引2010342起的退相干時間的提高開展理論分析.為超導量子比特探索新材料?噪聲特征和減少退相干策略

測量硅片上門控量子點單電子自旋的退相干時間.在硅片上的量子器件驗證量子2011714交換協議.實施一個和兩個超導量子比特的斷層掃描態和色散讀出.通過材料改進制造高質量超導隧道結

2012470驗證量子信息從一種類型變為另一種類型的互換.驗證微觀尺度量子信息的輸運

在量子比特上實施斷層掃描態.驗證不同量子比特技術之間的量子信息互換.驗2013235證微觀尺度量子信息的輸運

1212 美國NSF資助的與量子計算有關的項目

美國NSF長期保持對量子計算相關項目的資助.2000年開始.NSF在信息技術研究計劃中大力支持量子計算的研究.2002年.NSF設立 “量子和生物啟發的計算 ”(QuBIC).在量子信息科學方面重點資助兩個方面.與量子信息科學相關的物理基礎研究和開發通用計算?繫統級計算設計及特定用途算法所需的量子計算

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