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      2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉!中國(guó)傳出重磅利好:首個(gè)首個(gè)光量子計(jì)算機(jī)制造工廠落地!

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      剛剛,瑞典皇家科學(xué)院宣布,將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予 三位美國(guó)科學(xué)家約翰·克拉克(John Clarke)、米歇爾·H·德沃雷特(Michel H. Devoret)和約翰·M·馬丁尼斯(John M. Martinis), 以表彰他們 在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿和能量量子化 。值得一提的是, 約翰·克拉克和米歇爾·H·德沃雷特曾獲得我國(guó)頒發(fā)的2021年度墨子量子獎(jiǎng)。其中John M. Martinis曾是谷歌AI量子實(shí)驗(yàn)室的量子硬件首席科學(xué)家,與團(tuán)隊(duì)在《Nature》曾發(fā)表劃時(shí)代論文,首次通過(guò)一臺(tái)擁有53個(gè)量子比特的處理器實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

      在量子力學(xué)百年之際,再次引發(fā)全球關(guān)注。互聯(lián)網(wǎng)思想發(fā)現(xiàn)在量子計(jì)算領(lǐng)域,深圳傳來(lái)一個(gè)好消息:今年8月,玻色量子自建的“專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠”就正式落地深圳南山區(qū),這是國(guó)內(nèi)首個(gè)規(guī)模化專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠,我們有數(shù)千平的生產(chǎn)車間,建成后預(yù)計(jì)年產(chǎn)光量子計(jì)算機(jī)可達(dá)數(shù)十臺(tái)/套,可形成專用光量子計(jì)算機(jī)的批量生產(chǎn)產(chǎn)能。這標(biāo)志著玻色量子的實(shí)用化相干光量子計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段正式邁入工程化量產(chǎn)階段。也是我國(guó)專用量子計(jì)算機(jī)從“技術(shù)突破”走向“產(chǎn)品交付”和“商業(yè)變現(xiàn)”的關(guān)鍵一步。

      2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉


      剛剛,瑞典皇家科學(xué)院宣布,將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予

      三位美國(guó)科學(xué)家約翰·克拉克(John Clarke)、米歇爾·H·德沃雷特(Michel H. Devoret)和約翰·M·馬丁尼斯(John M. Martinis), 以表彰他們 在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿和能量量子化 。

      重磅!中國(guó)首個(gè)光量子計(jì)算機(jī)制造工廠落地深圳南山!

      為更好繪就“十五五”美好藍(lán)圖

      南山區(qū)謀定而動(dòng)

      提前布局量子信息等未來(lái)產(chǎn)業(yè)

      近日,國(guó)內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)軍企業(yè)——

      北京玻色量子科技有限公司

      (以下簡(jiǎn)稱“玻色量子”)

      自建的“專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠”

      正式落地深圳南山區(qū)


      同時(shí),玻色量子在南山智城注冊(cè)成立“深圳玻色智能制造科技有限公司”和“深圳玻色量子科技有限公司”兩家子公司,分別負(fù)責(zé)相干光量子計(jì)算機(jī)整機(jī)及核心部件的規(guī)模化生產(chǎn)任務(wù)和相干光量子計(jì)算機(jī)銷售與技術(shù)服務(wù)。

      此次玻色量子自建的國(guó)內(nèi)首個(gè)規(guī)模化專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠,建成后預(yù)計(jì)年產(chǎn)光量子計(jì)算機(jī)可達(dá)數(shù)十臺(tái)/套,可形成專用光量子計(jì)算機(jī)的批量生產(chǎn)產(chǎn)能。

      這不僅是我國(guó)實(shí)用化國(guó)產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的重要里程碑,更代表著我國(guó)專用光量子計(jì)算機(jī)在規(guī)模化生產(chǎn)制造實(shí)力上達(dá)到了全球領(lǐng)先水平,以自主可控的“中國(guó)智造”填補(bǔ)全球?qū)S霉饬孔佑?jì)算機(jī)規(guī)模化生產(chǎn)空白


      量子是物理世界中不可分割的最小單元,表示物理量存在的最小基本單位。可以將量子通俗地理解為貨幣的最小單位(如分、角),只能取整數(shù)倍值。

      隨著傳統(tǒng)摩爾定律的終結(jié),AI、大數(shù)據(jù)對(duì)于算力提出了更高的要求,量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展迎來(lái)巨大機(jī)遇。


      光量子計(jì)算,顧名思義就是利用光的量子特性來(lái)進(jìn)行計(jì)算的技術(shù),是一種主流的量子計(jì)算技術(shù)。

      比起其他技術(shù)路線,光量子計(jì)算不需要超低溫,且具有量子比特?cái)?shù)規(guī)模大、室溫穩(wěn)定運(yùn)行、相干時(shí)間長(zhǎng)等多方面的優(yōu)勢(shì),在短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)工程化,是商用量子計(jì)算機(jī)的新興形態(tài)。


      據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前在全球范圍內(nèi),芬蘭量子計(jì)算公司IQM、歐洲量子計(jì)算服務(wù)提供商Quandela、美國(guó)量子計(jì)算公司IonQ、法國(guó)量子計(jì)算公司Pasqal相繼建成5家量子計(jì)算機(jī)制造工廠。同時(shí),全球量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用部署提速。我國(guó)僅有少數(shù)量子計(jì)算企業(yè)聚焦產(chǎn)業(yè)鏈核心器件產(chǎn)線建設(shè),尚無(wú)規(guī)模化整機(jī)制造產(chǎn)線部署。


      玻色量子作為國(guó)內(nèi)實(shí)用化量子計(jì)算代表企業(yè),自研的相干光量子計(jì)算機(jī)是國(guó)內(nèi)唯一可實(shí)用化的專用光量子計(jì)算機(jī)。

      玻色量子自建的國(guó)內(nèi)首個(gè)“專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠”正式落地深圳南山區(qū),標(biāo)志著玻色量子的實(shí)用化相干光量子計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段正式邁入工程化量產(chǎn)階段。

      我國(guó)首個(gè)專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠的主要規(guī)劃建設(shè)包含模塊研制、整機(jī)生產(chǎn)與制造、質(zhì)量控制與測(cè)試系統(tǒng)三大板塊。具體細(xì)分內(nèi)容如下:

      • 模塊研制:量子態(tài)制備器、高速量子測(cè)控系統(tǒng)、光纖量子內(nèi)存等模塊的工程化研制。

      • 整機(jī)生產(chǎn)與制造:建設(shè)具備恒溫恒濕、低振動(dòng)、低噪聲等條件的高規(guī)格光量子設(shè)備生產(chǎn)、裝配車間,進(jìn)行光量子計(jì)算機(jī)的整機(jī)裝配集成。

      • 質(zhì)量控制與測(cè)試系統(tǒng):建立完善的質(zhì)量控制體系,確保產(chǎn)出的光量子計(jì)算設(shè)備符合規(guī)定技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);并建立健全專業(yè)測(cè)試設(shè)施和測(cè)試方法,對(duì)光量子計(jì)算設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試和可靠性驗(yàn)證。

      光量子計(jì)算機(jī)制造工廠所在的南山智城是南山區(qū)規(guī)模最大的創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)用房項(xiàng)目,園區(qū)產(chǎn)業(yè)定位主要以新一代信息技術(shù)、人工智能、生物醫(yī)藥和大健康三大產(chǎn)業(yè)為主。

      項(xiàng)目正位于南山“創(chuàng)新中軸”的核心位置——留仙洞新型產(chǎn)業(yè)總部基地六街坊,總建筑面積超過(guò)一百萬(wàn)平方米,北鄰西麗湖國(guó)際科教城、南側(cè)是西麗高鐵新城。

      此次專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠“落戶”深圳南山區(qū),更是玻色量子自研的相干光量子計(jì)算機(jī)從“技術(shù)突破”走向“產(chǎn)品交付”和“商業(yè)變現(xiàn)”的關(guān)鍵一步。

      接下來(lái),南山區(qū)將與玻色量子攜手,依托深圳獨(dú)特的產(chǎn)業(yè)和創(chuàng)新優(yōu)勢(shì),以專用光量子計(jì)算機(jī)制造工廠為基石,以場(chǎng)景開放和應(yīng)用創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng),以融合賦能為目標(biāo)共建“量子計(jì)算+”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài),在生物醫(yī)藥、人工智能、金融等重點(diǎn)行業(yè)打造“量子計(jì)算+”應(yīng)用標(biāo)桿。

      (內(nèi)容來(lái)源:創(chuàng)新南山、南山區(qū)科技創(chuàng)新局、玻色量子)

      他們用人類的尺度揭示量子特性!解讀2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

      2025年是量子力學(xué)誕生一百周年。量子力學(xué)描述的是什么?是在單個(gè)粒子尺度上才“顯現(xiàn)”的物理特性。在量子物理學(xué)中,這些現(xiàn)象比光學(xué)顯微鏡所能觀測(cè)到的還要小得多,它們被稱為“微觀”現(xiàn)象。

      這與由大量粒子構(gòu)成的“宏觀”現(xiàn)象形成對(duì)比。例如,一個(gè)日常生活中常見的球,由分子組成來(lái)描述的話就是天文數(shù)字級(jí)別的,它不會(huì)表現(xiàn)出任何量子力學(xué)效應(yīng)。人們都知道,每次把球扔向墻壁,它都會(huì)反彈回來(lái)。然而,一個(gè)單獨(dú)的粒子在其微觀世界中,有時(shí)卻能直接穿過(guò)類似墻的障礙,出現(xiàn)在“墻”的另一側(cè)。這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為“隧穿”。


      今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下,成功觀測(cè)到量子隧穿現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。1984年和1985年,約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯三位科學(xué)家在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了一個(gè)包含兩個(gè)超導(dǎo)體的電路。超導(dǎo)體是能夠以零電阻傳導(dǎo)電流的材料,這兩個(gè)超導(dǎo)體之間由一層完全不導(dǎo)電的薄材料隔開。但在實(shí)驗(yàn)中,他們證明了可以控制并研究一種現(xiàn)象:超導(dǎo)體中的所有帶電粒子協(xié)同運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)得就像一個(gè)單一的粒子,充滿整個(gè)電路。


      這種類粒子系統(tǒng)被束縛在一個(gè)有電流流動(dòng)但沒(méi)有電壓的狀態(tài)中。在實(shí)驗(yàn)中,該系統(tǒng)通過(guò)量子隧穿效應(yīng)展現(xiàn)出了量子特性:從零電壓狀態(tài)中逃逸出來(lái),并產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差(電壓)。

      與此同時(shí),今年的三位獲獎(jiǎng)?wù)哌€證明了這一系統(tǒng)的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。

      什么是隧穿?

      為了開展研究,三位獲獎(jiǎng)?wù)呓柚藬?shù)十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的理論概念和實(shí)驗(yàn)工具。

      我們知道,量子物理與相對(duì)論共同構(gòu)成了所謂“現(xiàn)代物理學(xué)”的基礎(chǔ)。過(guò)去一個(gè)世紀(jì)以來(lái),無(wú)數(shù)科研人員一直在探索其深遠(yuǎn)含義。

      單個(gè)粒子發(fā)生隧穿的現(xiàn)象,其實(shí)早已為人所知。1928年,物理學(xué)家喬治·伽莫夫意識(shí)到,正是隧穿效應(yīng)導(dǎo)致某些重原子核以特定方式發(fā)生衰變。原子核內(nèi)部各種力的相互作用在其周圍形成了一道勢(shì)壘,將內(nèi)部粒子束縛其中。然而,盡管存在這道勢(shì)壘,原子核的一小部分仍有時(shí)能分裂出來(lái),穿過(guò)勢(shì)壘逃逸出去,從而使原來(lái)的原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素。如果沒(méi)有隧穿效應(yīng),這類核衰變就不可能發(fā)生。

      隧穿是一種量子力學(xué)過(guò)程,其中包含著隨機(jī)性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢(shì)壘,因此其粒子需要很長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)在勢(shì)壘之外;而另一些類型的原子核則更容易發(fā)生衰變。如果人們只觀察單個(gè)原子,那無(wú)法預(yù)測(cè)隧穿何時(shí)會(huì)發(fā)生;但通過(guò)觀測(cè)大量同種原子核的衰變行為,可以測(cè)量出隧穿發(fā)生的平均時(shí)間。描述這一現(xiàn)象最常見的方法是“半衰期”概念,即樣品中一半原子核發(fā)生衰變所需的時(shí)間。


      一個(gè)被勢(shì)壘束縛的量子力學(xué)系統(tǒng)可以具有不同的能量,但它只能吸收或釋放特定數(shù)量的能量。這種特性稱為量子化。在較高能級(jí)時(shí),隧穿更容易發(fā)生。

      物理學(xué)家很快開始思考:是否有可能研究一種涉及多個(gè)粒子同時(shí)參與的隧穿現(xiàn)象?探索新型實(shí)驗(yàn)的一個(gè)方向,源自某些材料在極低溫下出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象。

      在普通導(dǎo)電材料中,電流的產(chǎn)生是由于存在可在整個(gè)材料中自由移動(dòng)的電子。在某些材料中,穿過(guò)導(dǎo)體的獨(dú)立電子會(huì)變得有序,形成一種協(xié)調(diào)一致的“舞蹈”,毫無(wú)阻力地流動(dòng)。此時(shí)材料就變成了超導(dǎo)體,而電子則兩兩結(jié)合成對(duì)。這種電子對(duì)被稱為“庫(kù)珀對(duì)”,以萊昂·庫(kù)珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施里弗共同詳細(xì)描述了超導(dǎo)體的工作機(jī)制(三人因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。

      庫(kù)珀對(duì)的行為與普通電子完全不同。電子具有很強(qiáng)的“個(gè)體性”,傾向于彼此保持距離——兩個(gè)具有相同性質(zhì)的電子不可能處于同一狀態(tài)。這一點(diǎn)在原子中可以明顯看到,例如電子分布在不同的能級(jí)(即電子殼層)上。然而,當(dāng)超導(dǎo)體中的電子結(jié)成對(duì)后,它們的部分個(gè)體性就消失了;雖然兩個(gè)獨(dú)立的電子總是可區(qū)分的,但兩個(gè)庫(kù)珀對(duì)卻可以完全相同。這意味著超導(dǎo)體中的所有庫(kù)珀對(duì)可以被描述為一個(gè)整體,一個(gè)統(tǒng)一的量子力學(xué)系統(tǒng)。用量子力學(xué)的語(yǔ)言來(lái)說(shuō),它們具有一個(gè)共同的波函數(shù)。這個(gè)波函數(shù)描述了在給定狀態(tài)下觀測(cè)到該系統(tǒng)的概率及其具有的特定性質(zhì)。

      科學(xué)家們的起步

      這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當(dāng)時(shí)是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的教授,此前于1968年在英國(guó)劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位后移居美國(guó)。在伯克利,他組建了自己的研究團(tuán)隊(duì),專注于利用超導(dǎo)體和約瑟夫森結(jié)來(lái)探索多種物理現(xiàn)象。

      到20世紀(jì)80年代中期,米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學(xué)位后,作為博士后加入了約翰·克拉克的研究團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們?nèi)斯餐袚?dān)起證明“宏觀量子隧穿”的挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)裝置必須極其精細(xì),并采取大量措施屏蔽外界干擾。他們成功地優(yōu)化并精確測(cè)量了電路的所有特性,從而能夠深入理解該系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。

      為了測(cè)量量子現(xiàn)象,他們向約瑟夫森結(jié)注入一個(gè)微弱的電流,并測(cè)量電壓(電壓與電路中的電阻相關(guān))。最初,約瑟夫森結(jié)兩端的電壓為零,這符合預(yù)期,因?yàn)橄到y(tǒng)的波函數(shù)被限制在一個(gè)不會(huì)產(chǎn)生電壓的狀態(tài)中。接著,他們研究了系統(tǒng)從該狀態(tài)隧穿出去所需的時(shí)間,一旦發(fā)生隧穿,就會(huì)出現(xiàn)電壓。由于量子力學(xué)本質(zhì)上具有隨機(jī)性,他們進(jìn)行了大量重復(fù)測(cè)量,并將結(jié)果繪制成圖,從中讀取零電壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。這種方法類似于通過(guò)大量衰變事件的統(tǒng)計(jì)來(lái)測(cè)量原子核的半衰期。

      三位科學(xué)家構(gòu)建了一個(gè)使用超導(dǎo)電路的實(shí)驗(yàn)裝置。承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前,隧穿效應(yīng)和能量量子化主要在僅含少數(shù)粒子的系統(tǒng)中被研究;而在此實(shí)驗(yàn)中,這些量子現(xiàn)象出現(xiàn)在一個(gè)包含數(shù)十億個(gè)庫(kù)珀對(duì)的宏觀量子系統(tǒng)中,這些庫(kù)珀對(duì)遍布整個(gè)芯片上的超導(dǎo)體。因此,這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將量子效應(yīng)從微觀尺度推進(jìn)到了宏觀尺度。


      這種隧穿現(xiàn)象表明,實(shí)驗(yàn)中那些協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的庫(kù)珀對(duì),表現(xiàn)得就像一個(gè)巨大的單一粒子。當(dāng)科學(xué)家們進(jìn)一步觀察到系統(tǒng)具有分立的、量子化的能級(jí)時(shí),這一結(jié)論得到了進(jìn)一步證實(shí)。

      量子力學(xué)之所以得名,正是源于人們發(fā)現(xiàn)微觀過(guò)程中的能量,是以離散的“包”(即量子)形式存在的。今年的三位獲獎(jiǎng)?wù)呦蛄汶妷籂顟B(tài)引入了不同波長(zhǎng)的微波,發(fā)現(xiàn)其中某些頻率的微波被系統(tǒng)吸收,導(dǎo)致系統(tǒng)躍遷到更高的能級(jí)。這表明:當(dāng)系統(tǒng)能量更高時(shí),零電壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間更短——這正是量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的結(jié)果。

      理論與實(shí)踐意義

      這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)理解量子力學(xué)具有深遠(yuǎn)影響。以往在宏觀尺度上展示的量子效應(yīng),通常是由大量微小單元各自獨(dú)立的量子性質(zhì)疊加而成。這些微觀組分共同導(dǎo)致宏觀現(xiàn)象,例如激光、超導(dǎo)體和超流體。然而,這一實(shí)驗(yàn)卻不同:它從一個(gè)本身就具有宏觀性的狀態(tài),即大量粒子共享的統(tǒng)一波函數(shù)產(chǎn)生了一個(gè)宏觀效應(yīng)——可測(cè)量的電壓。

      理論物理學(xué)家安東尼·萊格特曾將獲獎(jiǎng)?wù)叩暮暧^量子系統(tǒng),與著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)相比較。在該思想實(shí)驗(yàn)中,如果不去觀察,貓就同時(shí)處于“活著”和“死亡”的疊加態(tài)(薛定諤因此獲得1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的初衷是揭示這種狀態(tài)的荒謬性,因?yàn)樵诤暧^尺度上,量子力學(xué)的特殊性質(zhì)通常會(huì)被抹去。人們無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中真正展示一只貓的量子疊加態(tài)。

      然而,萊格特認(rèn)為,今年三位獲獎(jiǎng)?wù)咚M(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)表明,確實(shí)存在一些現(xiàn)象,其中大量粒子共同表現(xiàn)出量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的行為。盡管由眾多庫(kù)珀對(duì)構(gòu)成的這個(gè)宏觀系統(tǒng)在尺寸上仍比一只小貓小好幾個(gè)數(shù)量級(jí),但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是整個(gè)系統(tǒng)的整體量子特性,因此在量子物理學(xué)家看來(lái),它與薛定諤那只假想中的貓?jiān)诒举|(zhì)上是相當(dāng)類似的。

      這類宏觀量子態(tài),為人們利用微觀粒子世界規(guī)律進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)提供了新的可能。它可以被視為一種“大型人工原子”——一個(gè)帶有電纜和接口的人工原子,可以連接到新的測(cè)試裝置中,或用于開發(fā)新型量子技術(shù)。例如,這類人工原子可用于模擬其他量子系統(tǒng),幫助人們理解它們的性質(zhì)。

      另一個(gè)實(shí)用例子,則是馬丁尼斯后來(lái)進(jìn)行的量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)正是利用了他與另外兩位獲獎(jiǎng)?wù)咚芯康哪芰苛孔踊匦浴褂镁哂辛孔踊芗?jí)的電路作為信息載體,即量子比特(qubit)。最低能級(jí)和第一個(gè)激發(fā)態(tài)分別代表“0”和“1”,這正是構(gòu)建未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)路徑之一。


      可以說(shuō),今年的獲獎(jiǎng)?wù)卟粌H深化了人們對(duì)物理世界的理解,也為發(fā)展新一代量子技術(shù)包括量子加密、量子計(jì)算和量子傳感等領(lǐng)域開辟了新路徑。

      諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松表示:“量子力學(xué)在百年發(fā)展歷程中持續(xù)帶來(lái)新突破,值得共同慶賀。而這項(xiàng)研究更具重大應(yīng)用價(jià)值,因?yàn)榱孔恿W(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基石。”

      (內(nèi)容來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然)

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