我国物质科学研究再添“利器”！综合极端条件实验装置通过验收

小于1毫开尔文的极低温，相当于宇宙的背景辐射温度的几千分之一；300吉帕斯卡的超高压已接近地心压力；达到26特斯拉的全超导磁体强磁场，比地球磁场高出几十万倍；不足100阿秒的超快光场，成为捕捉千万亿分之一秒画面的“高速相机”……2月26日，在怀柔科学城，综合极端条件实验装置通过国家验收。这标志着国际先进的，同时具备极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件综合实验能力的用户装置在我国建成。

阿秒超快实验站

打造“走极端”的科研环境

“您所站的位置，磁场强度大约是地磁场的10倍。不过别担心，只要没有佩戴心脏起搏器，这种磁场变化就不会对您产生影响。”中国科学院物理所研究员周睿对装置强磁场核磁共振实验站的介绍，总会让来访者“心头一颤”。

不过，要深入地下1.8米的位置，这处实验站的强大能力才真正显现，这里可以提供数十万倍于地磁场、最低0.05开尔文的强磁低温环境。这套设备的原理与生活中常见的核磁共振成像仪相似，但它所用的磁体由特殊的高温超导材料制成，能构建场强更高、时长更久的强磁场环境，更好地揭示材料深藏不露的物理性质。

在另一栋建筑内，不过一眨眼的工夫，阿秒激光系统已按动上百万亿次“快门”，以72阿秒的时间分辨率，拍下原子尺度的晶格运动图像。“晶体中的晶格运动会产热，电子运动则会产生电流。例如在光伏材料中，我们希望通过解析晶体结构让电子更活跃，产出更强电流，而非产生会消散的热量。”中国科学院物理所副研究员董朔解释，此前，飞秒是人类可控的最短时间尺度，而阿秒激光系统能帮助科研人员将视野从原子、分子拓展至的电子运动，探索更精微的物理世界。

这样“走极端”的科研环境，在综合极端条件实验装置中随处可见。综合极端条件实验装置的极端条件物性表征系统、极端条件量子态调控系统、超快动力学表征系统等位于怀柔科学城，高温高压大体积材料研究系统位于吉林长春。这些极端条件可以拓展物质科学的研究空间，彼此还能“强强联合”，实现综合化、集群化，促进新物态、新现象、新规律的发现。

向实现通用量子计算进军

在该装置的极低温超导量子器件调控实验站，一间“小黑屋”大门紧闭，这里拥有低于1毫开尔文的极低温环境。哪怕是人走过门口的细微震动，或是极微弱的光线照进房间，都会产生能量输入，导致该系统升温。在逼近绝对零度的极限温度下，物质呈现全新状态，微弱的量子效应将显现，一些材料还会出现超导现象。

当前，电子设备芯片的身材已经缩小至极限，在纳米尺度上制作晶体管，量子效应导致的漏电是无可避免的。“这是物质自身性质决定的，要突破这个瓶颈，就必须另辟蹊径。”中国科学院物理所副研究员李沛岭说，量子计算将是计算领域的下一个突破口，它5分钟能够实现的计算量，传统计算机需要计算百亿年之久。而要让量子拥有强大的计算能力，必须为它创造极端低温的工作环境。

科研团队在装置内自主研制了顶部插杆式氦三制冷机、稀释制冷机等多款“冰箱”，可以提供1开尔文至1毫开尔文的极低温环境。在这些技术的支撑下，他们搭建起量子计算机——最高数量达136量子比特的夸父（Quafu）量子计算云平台。

目前，该平台已经走上云端，国内外科研团队可以远程提出计算任务，平台接收需求后展开本地计算。“云平台对用户非常友好，能为他们提供科研的便利。”现在，李沛岭正与团队一起，进一步提升这台量子计算机的量子比特数量，他们的目标是将比特数再提升两个数量级，以实现通用量子计算，“接下来要走的路还有很长。”

装置与怀柔科学城“共成长”

综合极端条件实验装置是怀柔科学城第一个开工的国家重大科技基础设施，选址时，这片区域还是农田和林地。“2018年，我回国参与到装置建设中，那时真是万事开头难。”周睿感慨，为了突破关键核心技术，他带领团队自己动手，联合零部件厂商一点点调整改进，直到设备达到装置建设标准。

7年多来，装置与怀柔科学城“共成长”，现在，怀柔科学城已经成为我国重大科技基础设施密度最强的地区之一。随着公共服务、市政基础、道路交通三大设施逐步完善，怀柔科学城城市框架基本形成，为国内外科学家来此开展科研工作搭建了良好平台。

2023年初，综合极端条件实验装置全面投入试运行，成为怀柔科学城首个进入科研状态的大科学设施。在两年的试运行期间，它已经提供机时超过20万小时，用户涵盖国内外众多高校和科研机构。分数量子反常霍尔效应、里德堡莫尔激子被发现，高压诱导发光材料研究取得突破，超导量子计算、极高场超导磁体的物性测量系统、无液氦稀释制冷机等关键技术实现国产化……依托该装置，科研人员已经取得了一批处于世界领先水平的基础研究成果和示范性技术突破。

综合极端条件实验装置首席科学家、中国科学院物理所怀柔研究部主任吕力表示，目前，装置已经进入常态化运行阶段，后续将加大开放共享力度，力争在建成初期就早出成果、多出成果，并瞄准出好成果、出大成果的目标不断提升装置运行效能。这里已经成为国际科技合作与交流的重要平台，并有望催生新的研究方向和科学问题，开拓新的研究领域，吸引集聚一批顶尖人才和领军人才，培养一批青年人才，稳定一批工程技术人才，为我国极端条件科学研究的持续发展提供坚实人才保障。