我们要建成的科技强国，必须具备“强大的基础研究和原始创新能力”“强大的关键核心技术攻关能力”“强大的国际影响力和引领力”“强大的高水平科技人才培养和集聚能力”“强大的科技治理体系和治理能力”等基本要素。国家重大科技基础设施（以下简称“大科学设施”）是科学探索和技术创新的大国重器，是推动科技赋能未来产业的技术策源地。“超高灵敏极弱磁场和惯性测量装置”大科学设施（以下简称“极弱磁大科学设施”）追求极端弱磁环境和测量记录，布局中试及技术创新平台，开展成果转化，培育未来产业，开辟量子精密测量与传感新赛道，发展新质生产力，加快实现科技自立自强。

一、深刻认识建设新型大科学设施的重大意义

科技兴则民族兴，科技强则国家强。强大的科技实力和创新能力是科技强国的必要支撑，是推进综合国力整体跃升、增进人类福祉、推动全球发展的动力之源。新时代新征程，大国博弈的战场聚焦前沿科技，拥有强大的基础研究和原始创新能力，持续产出重大原创性、颠覆性科技成果，将引领科技革命和产业变革，为建设世界强国奠定科技基础。

大科学设施是为探索未知世界、发现自然规律、引领技术变革提供极限研究手段的大型复杂科学技术研究装置或系统。作为国家创新体系的重要组成部分，大科学设施是解决重点产业“卡脖子”问题、支撑关键核心技术攻关、保障经济社会发展和国家安全的物质技术基础，是抢占全球科技制高点、构筑竞争新优势、开辟科技新赛道的战略必争之地。

技术创新源于科学发现，形成产业推动社会进步。科学发现是认识世界、揭示自然界和人类社会未知事物的过程，支撑着原始技术创新。原始创新是指在基础研究中取得的具有原创性、突破性、颠覆性和引领性的重大创新成果。在原始创新基础上形成的技术创新可以改造世界、改变人类的生存和生活方式，进而形成产业，服务人类社会与自然的和谐发展。比如，伦琴发现了X射线，拍摄了第一张人体X光片，后来人们据此研发了CT医疗设备，带来了高端医疗装备产业，推动了医学的进步和人类社会的发展。

科学发现源于观察思考，极端环境创造特殊条件。由于人类文明的不断进步，科学发现不再像牛顿观察苹果落地发现万有引力一样源于日常，它需要借助更多的工具和方法。比如，胡克利用显微镜观察到细胞，推动了生物学研究的跨越式发展。进入21世纪，科学家进行新的科学发现需要依靠极端的手段和特殊的条件。比如，通过巨大的射电望远镜发现了肉眼无法观测到的天文星体；太空空间站为开展微重力环境下的科学研究提供了极端环境和条件。

建设大科学设施，带动高新技术产业发展。目前，国内已建成和在建的大科学设施已达77个，其中许多既能开展基础科学研究也能带来新技术新产业。重离子加速器带来了重离子靶向治疗仪；可控核聚变装置推动了聚变能源产业的发展；同步辐射光源为微电子、集成电路产业带来了多项技术突破。粤港澳大湾区、上海、北京、合肥四大综合性国家科学中心拥有全国80%以上的国家实验室；粤港澳、长三角、京津冀聚集了全国1/3的国家级高新区，拥有大量高新技术企业。国内地区的经济发达程度侧面印证了“科学技术是第一生产力”，建设大科学设施，将有效推动高新技术产业发展。

国之重器打造创新平台，强磁研究带来革命技术。“工欲善其事，必先利其器”，被称为“大科学装置”的大科学设施，正是推动重大科技创新的利器。我国的天眼、空间站等大科学设施是抢占全球科技制高点、构筑竞争新优势的国之重器和平台。在磁场测量领域，相较于强度在几万nT（10-9）的地磁场，人类已经研制出了几十乃至上百T的强磁场大科学设施。强磁场的研究带来核磁共振等革命性技术，先后6次获得诺贝尔物理学奖、化学奖、生物学奖及医学奖，为医学研究、产业应用及人类生命健康作出巨大贡献。

极弱磁场屏蔽地磁干扰，开展医学应用探索研究。相较于强磁领域的研究，工信部在杭州建设的北航极弱磁大科学设施是国际首创，将打造世界上性能最高、空间最大的“零磁”空间，提供aT（10-18）级的极端测量手段。以超高灵敏极弱磁测量技术为基础，在屏蔽地磁场的环境中，检测人体自身发出的磁信号，研发人体功能信息成像技术并创新提出“零磁医学”，与核磁共振技术互补，以“结构+功能”共同反映人体健康状态。

二、坚持“四个面向”，建设极弱磁新型大科学设施

持续攻关研究16年，打造原创技术策源地。2008年以来，科研团队始终坚持“面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”的战略导向，不负历史重托，开展极弱磁基础理论和应用研究。极弱磁新型大科学设施以应用需求为支撑，持续引领超高灵敏极弱磁场及惯性测量等前瞻性量子精密测量与传感技术创新发展，对于加快提升原始创新能力和关键核心技术攻关能力，具有重大意义。

坚持“陀螺精神”，持续攻坚克难。北京航空航天大学（以下简称“北航”）瞄准国防领域的原子陀螺及磁强计需求，充分发扬“空天报国、敢为人先”的北航精神，2008年率先开展基于原子自旋SERF效应的极弱磁场和惯性测量研究。历经12年技术攻关，北航在磁场测量及惯性测量领域均已超过国外公开发表的最高指标。在此基础上，北航于2020年开始申报极弱磁场大科学设施。秉持方向坚定、永不停转的“陀螺精神”，北航一方面持续深耕，打破原有记录，在测量精度上不断提高，持续保持国际领先水平；另一方面开展芯片化传感器研究，在保证精度的同时大幅缩小设备体积，为产业化应用奠定基础。

面向“科技前沿”，提供验证手段。极弱磁大科学设施的核心区将利用三层磁屏蔽及磁补偿技术，打造地球上磁场最弱的“零磁空间”。面向基础物理学，为EDM、CPT、第五种力、暗物质等基础物理学命题提供有效验证手段，揭示宇宙起源及构成等“诺奖级”命题；面向零磁生命科学，揭示生命系统低能耗、高效率、高精准信息传递、物质合成、能量转化的机理。极弱磁大科学设施将建设成国际开放的科学殿堂，为人类探索未知世界和科学研究提供平台。

面向“经济战场”，扩大应用领域。面向零磁生物学，开展“零磁”环境下动植物的活动及生命特征研究；面向零磁化学、材料学，进行化学反应及材料性能分析研究。利用超高灵敏极弱磁测量技术开展成果转化，研制芯片化原子磁强计，研发各类仪器设备及传感器，在科研、医疗、地质、能源电力等多个领域孵化科技型创新企业，打造环大科学装置创新生态圈，开辟量子精密磁场测量与传感未来产业新赛道，打造科技创新策源地。

面向“重大需求”，服务国家战略。立足国防军工需求，极弱磁测量技术可用于探测海洋中目标产生的微弱磁场异常，提升我国海洋反潜能力，维护国家海洋安全；惯性测量技术可用于战略武器的全自主和高精度定位导航，提升威慑力量。立足国家现代先进测量体系建设需求，支撑新一代更高精度和灵敏度（亚fT级）的国家计量基准建设，开展国际比对。面向国家重大需求，抢占战略制高点，掌握全球科技竞争先机。

面向“人民健康”，研发医疗装备。基于磁屏蔽技术和芯片化量子传感器研发的零磁医疗装备是极弱磁大科学设施“沿途下蛋”诞生的第一个技术创新转化成果。这一创新技术利用磁屏蔽桶产生的弱磁环境和阵列式原子磁强计检测的人体极弱磁信号，为人体功能信息的检测提供了新手段。这一创新技术具备高精度、快速、无损无创的优势特点，在心、脑、肿瘤、中医等领域具有广阔的应用前景，将为医学创新和人类生命健康产业带来新的技术变革。

三、抓住量子科技发展新机遇，开展技术创新与成果转化

量子科技是我国重点发展的未来产业,也是大国博弈的重要领域。党和国家高度重视量子科技发展。面向国家战略需求，在新一轮科技革命和产业变革中，我们要抓住机遇，依托国家实验室及大科学设施进行技术创新，促进基础研究成果转化，抢占未来科技和产业发展的制高点，助力中国量子科技研究和应用快速发展。

量子技术具备三大方向及发展趋势。量子技术主要分为量子计算、量子通信及量子精密测量三大方向，均基本遵循“机电→光学→量子”的发展历程。以广泛应用的量子精密测量与传感技术为例，该技术由最早基于电磁感应定律的机电类传感器发展成为基于光学、光电转换效应的光电类传感器，再发展成为基于光、磁与原子相互作用，采用新原理、新效应的量子类传感器，每一类新技术的出现都带来了性能的巨大提升。

七个基本物理量计量基准量子化。2018年，第26届国际计量大会通过决议，温度、物质的量、光强、质量、长度、时间、安培七个基本物理量计量基准（最高精度测量）已全部实现量子化，并于2019年5月20日在第20个“世界计量日”正式生效。量子精密测量作为基本物理量标定基准，先天具有高精度潜力，应用前景十分广阔。

精密测量与传感技术率先产业化。相较于单量子操控（量子纠缠）技术，量子精密测量与传感科学仪器主要基于系综量子操控，更容易转化为现实的新质生产力，实现产业应用和产业化。用于时间测量的原子钟，在时间基准、授时、定位导航、时间同步等方面应用广泛；用于重力测量的原子重力仪，在探矿、重力匹配导航等领域作用巨大；原子陀螺仪的发展将会对惯性导航的发展产生重要影响，原子磁强计的研制将带来量子精密测量与传感的新产业。

发挥新型举国体制优势，实现换道超车。建设科技强国需要科学仪器和装置，但高端科学装置依赖进口；建设质量强国需要计量测试仪器，但高端计量仪器被国外“卡脖子”；建设制造强国需要大量高端传感器，但目前正面临禁运挑战。量子精密测量与传感的研究与应用为我们带来了新机遇，开辟了新赛道。我国在该领域具有一定基础，在国际竞争中处于并跑阶段，亟须发挥新型举国体制优势，实现换道超车。

培育量子精密测量与传感新产业。量子传感器因其高精度、低成本、小体积的技术优势，将成为未来产业的新赛道。面对国际科技竞争局势，应加速开展“量子精密测量+科学装置与仪器” “量子精密测量+计量测试”  “量子精密测量+高端医疗装备”“量子精密测量+能源电力”“量子精密测量+定位导航”“量子精密测量+地质海洋”等领域的应用探索研究，培育量子精密测量与传感未来产业，带动传统产业转型升级，推进新型工业化，加快发展新质生产力。

四、推动“科学－技术－产业”全链条协同创新

优化体系布局，创新发展模式。极弱磁大科学设施项目正积极带动中试及成果转化平台建设，促进未来产业发展，形成了独具特色的“科学－技术－产业”全链条创新发展模式，将助力加快产业升级步伐，在以科技创新塑造发展新优势上走在前列。

“科学－技术－产业”的创新实践。2017年，北京航空航天大学杭州创新研究院成立； 2020年，杭州极弱磁场国家重大科技基础设施研究院成立； 2022年，建设国际零磁科学谷。杭州高新区（滨江）以“一张蓝图绘到底，一届接着一届干”的前瞻部署和长期规划，在建设大科学设施的同时开工建设5个交叉研究平台和2个未来产业创新中心，形成“1+5+2”体系化布局，打造环大科学装置创新生态圈，成为“科学－技术－产业”全链条协同创新典范。

“科学－技术－产业”的人才支撑。为支撑极弱磁大科学装置建设，北京航空航天大学大科学装置研究院瞄准科学前沿，开展科学探索、技术攻关和预研；杭州极弱磁场国家重大科技基础设施研究院聚焦工程建设及科技成果转化；浙江莫干山地磁大科学装置研究院开展中试小批量生产及产业孵化。依托三院协同创新，强化科研能力，推进教育、科技、人才一体化发展，为“科学－技术－产业”全链条协同创新提供人才资源保障。

当前，应把握时代机遇，发挥新型举国体制优势，利用政策、人力、市场等资源优势，加快建设极弱磁大科学设施，打造国之平台重器，开辟量子科技新赛道，加快发展新质生产力。以“科学－技术－产业”全链条协同创新模式，实现“从0到1的科学发现”“从1到10的技术创新”及“从10到1000的产业发展”，为建设科技强国奉献才智、写下精彩篇章，以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业。

作者：房建成 中国科学院院士、北京航空航天大学教授、杭州极弱磁场国家重大科技基础设施研究院首席科学家

 

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