1 背景和意义
1.1 制造历史发展的必然选择
纵观历史发展和国家兴衰的规律，每一次时代变革都离不开技术的创新，而近现代大国的崛起更离不开工业技术的变革。在工业生产过程中，“制造”是核心——制造出满足人们物质和精神需求的产品，制造是维护国家主权、维持国家繁荣昌盛的“国之重器”。所谓“制造”，是把原材料加工成满足使用者要求的产品的全工艺过程，其重点在于获得足够的性能指标以满足产品的最终使用需求。唯有把握制造技术的发展规律，引领未来制造技术的发展趋势，才能在新一轮的全方位大国竞争中赢得先发优势。制造的发展历程贯穿了人类诞生至今的历史，从制造的精度以及制造内在规律发展的角度来看，制造的发展经历了以下三个阶段[1](图1)：
图1 制造发展的三个阶段
Fig.1 The three stages of manufacturing development
(1)制造Ⅰ：以经验和技艺为基础的手工成形过程(如石器、青铜、铁器时代)，制造精度处于毫米级 早在石器时代，人类就开始利用石器作为劳动工具制作生活和生产用品[2-3]，到了青铜器和铁器时代，为了满足以农业为主的自然经济的需要，人们开始开发采矿、冶金和锻造工具，并制造纺织机械、水利机械、运输车辆等[4-5]。在此后相当长的时期内，人类主要以手工作坊的形式生产制造工具及各种用品，在重复制造各种劳动工具的过程中，逐渐产生工具定型化倾向，开始了简单的分工作业。这是作为一种艺术而存在和发展的制造历史发展的第一阶段，即“制造Ⅰ”。此时的制造更多地是少数人能够从事的艺术创作，不能批量、重复地生产。
(2)制造Ⅱ：基于机器的精度实现可控制造，制造精度(去除、转移、增加的材料尺度)从毫米级提高至微米级甚至纳米级 随着人类社会工业化进程的开启，制造技术得以进入不断发展的阶段，基于经典力学的制造基础理论逐步形成并日趋完善，传统加工中材料的去除已从毫米、微米尺度发展到纳米尺度[6]。18世纪末，以改良蒸汽机及工具机为标志的产业革命让机械逐步取代了手工劳动，机械技术与蒸汽机技术相结合产生了近代工业化的制造方式并带动了社会从农业、手工业向工业、机械制造业迈进，率先完成工业革命的英国成就了“日不落帝国”的传奇[7]，这就是我们常说的“工业1.0”；1870年美国辛辛那提屠宰场首条生产线的出现标志着自动化技术的引入，电气化、流水线、大批量生产的模式实现了工业领域的大变革，一些欧美国家敏锐地把握到了这一时期的先机，尤其是美国，藉此登上超级大国的位置[8]，这是我们常说的“工业2.0”；到了1969年，随着可编程控制器的出现，以信息技术以及自动化控制为特点的机械设备在工业生产中大显身手，日、韩等亚洲国家也乘此机会迅速从战后恢复，跃居发达国家的行列[9]，这也是我们常说的“工业3.0”阶段；而现在工业强国正在探索的“工业4.0”则是在前三次工业革命基础之上的进一步深化，其概念由德国在2011年的汉诺威工业博览会上首次提出，核心是建立“信息物理系统”(Cyber physical system，CPS)——传感网络将紧密连接现实世界并采集分析所有与设计、开发、生产有关的数据，实现产品、生产设施的全生命周期的智能管理和生产。总的来说，虽然这一阶段经历了数次工业革命，但制造的理论都是基于经典物理/化学，模型的建立依然是连续的和确定性的，我们将这一时期的制造统称为“制造Ⅱ”。
(3)制造Ⅲ：制造对象与过程直接作用于原子，材料在原子量级去除、转移或增加，实现原子与近原子尺度制造(atomic and close-to-atomic scale manufacturing，ACSM) 制造的本质是加工，当加工的尺度从微米、纳米向着原子尺度迈进时，原子尺度下的材料去除、迁移或增加等现象已无法通过经典理论进行解释。制造技术将从以经典力学、宏观统计分析和工程经验为主要特征的现代制造技术，走向以量子理论为代表的多学科综合交叉集成的下一代制造技术。这种原子及近原子尺度的制造(ACSM)即“制造Ⅲ”[10-11]。制造Ⅲ区别于制造Ⅱ的本质属性是基础理论的不同，即以量子理论为核心基础。
新中国成立后，我国的制造业跨过了1949—1978年间的重工业起步的门槛，经历了1979—1996年改革开放后的快速繁荣，现在正大步迈向新型工业化的道路[12]。时至今日，“中国制造”已经站到了世界舞台的前列：2019年9月国家工业和信息化部宣布我国已形成了独立完整的现代工业体系，是全世界唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家，我国已跃升为世界第一制造业大国。过去几十年“中国制造”的发展相当程度上得益于土地、人口红利等因素，核心技术如芯片、高端传感器、航空发动机等仍依赖从发达国家进口。“中国制造”能够创造的利润也非常有限，一直以来，“中国制造”被少数发达国家在相应的高端技术层面“卡脖子”。例如，2015年亚洲开发银行的数据指出，生产iPhone手机的中国制造企业仅能拿到一部iPhone手机创造价值的3.6%，日本的这一数据则达34%[13]。作为制造Ⅱ中下一个阶段的“工业4.0”蓝图是德国基于其自身工业发展阶段以及未来社会的期望提出的，完全照搬未必符合中国国情。然而制造Ⅲ时代的到来已经是历史的必然选择，提前布局开展制造Ⅲ的研究与探索，是实现中国“制造大国—制造强国—未来制造”转型的战略抉择。
1.2 国家科技竞争的紧迫需求
制造是社会和经济、生产力发展的基础。当前有一种不完整的认识，认为有了芯片、网络、软件就有了一切。诚然，它们是重要的，但基础仍然是制造。首先，芯片是制造的产物，高端芯片依赖于高端制造，核心之一是高精度光刻机。其次，芯片、网络、软件仅仅解决信息(包括数据)的处理(包括计算)、存储、传输的问题，而信息的获取首先需要依赖于传感器和各种测量装置。没有精确的测量，人工智能，包括精确导航、导弹和卫星的发射、命中等都是一句空话。最后，需要有精确执行机构完成机械装置所要求的精准运动。目前，面向多种典型器件和重大需求时，传统制造技术与工艺、加工设备与机器以及基础支撑理论发展等已面临“瓶颈”，将加工对象视为连续性材料的制造思想也面临着严峻的挑战和无法逾越的鸿沟。如计算机芯片上元件分布节点的尺寸能否遵循摩尔定律继续向前推进；新材料、超材料的开发受限于现有制造能力进而受设计自由度的制约；微系统的传统制造平台逐渐凸显出其能力不足，无法满足微系统进一步复杂化和小型化、智能化等颠覆性升级迭代的需要。
高精度制造在科技和生产力发展中具有关键作用。以芯片为例，我国不能制造的是高端芯片，即线宽为几纳米的芯片，“卡脖子”的是高精度光刻机。中国被“卡脖子”的主要是高端产品，包括高端数控机床、轴承、飞机发动机等等，而“高端”首先体现在精度上。为实现高精度就需要纳米、乃至原子及近原子尺度的制造与运动控制技术。科技前沿研究的推进已越来越倚重于多学科交叉发展，并进入了快速变革的时代。ACSM是将能量直接作用于原子，通过构建原子尺度结构实现特定功能与性能，并实现批量生产、满足所需要求的前沿制造技术，是突破当前科技前沿制造瓶颈的下一代制造技术的主要发展趋势，对未来科技发展和高端元器件制造具有重大意义。
当前我国在部分核心技术领域受到一些发达国家的钳制，这在一定程度上制约了我国经济的发展。我国一方面应大力布局加快核心技术研发，解决“卡脖子”问题；另一方面更要超前布局下一代前沿技术开发，把握未来制造技术“制高点”，实现国家经济的健康发展。还是以芯片为例，我国在微电子芯片制造的研究、开发与产业化方面已付出巨大努力，力求赶超发达国家已经达到的技术水准。倘若若干年后其他发达国家抢先掌握下一代制造技术，开发出下一代核心元件，我国不得不进入新一轮的追赶，甚至遭遇另一轮的技术壁垒。无论是目前炙手可热的量子芯片，抑或是其他尚未被预见的新的革命性元器件，当它们形成产品时，对新一代制造技术的需求将是必然。作为下一代制造技术的代表，原子及近原子尺度制造的启动、策划与实施，将对我国的科技战略发展起到重要的引领和支撑作用，有利于我国在下一轮科技竞争中占领先机。
1.3 国内外研究现状
天津大学微纳制造实验室于2013年提出了制造历史发展的三个阶段，于2015年发表于《人民日报》，论述了原子及近原子尺度制造发展的必然趋势[11]，并开展了纳米乃至原子尺度的材料去除的基础理论研究。尽管原子及近原子尺度制造是一个全新的领域，但国内外均已有研究机构在相关领域开展研究，并作为战略技术储备。
美国国防高级研究计划局(DARPA)于 2015年底启动了从原子到产品(A2P)研究计划，旨在研制出一种装配方法，使制造出的大尺度材料、组件和系统能够保留纳米级材料的性能[14-15]；针对电子产品与所处环境(温度/湿度、气氛、辐射、应力等)长期相互作用引起的可靠性问题，欧洲、美国等国家和地区的研究人员开展了“从原子到产品的可靠性”的研究，旨在从原子级层次研究减弱这种相互作用对系统可靠性的影响[16]；2018年6月，加拿大阿尔伯塔大学的科学家尝试将机器学习用于原子制造，为推动原子尺度、低功耗电子产品的发展寻求解决方案，这一探索有望使得原子尺度制造和大规模生产成为可能[17]。此外，日本大阪大学、英国思克莱德大学、美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室等高校和科研机构也开展了相关基础研究。
中国工程物理研究院研究人员于2016年发表文章介绍了美国A2P理念，并结合强约束集成微系统，阐述了原子制造的意义[18]。2019年4月，华为成立“战略研究院”，正式将原子制造确定为其重要探索方向之一，并召开专题研讨开始布局，旨在利用原子制造技术将摩尔定律极限进一步提升。目前，国内已有单位组建了“原子制造”相关研究平台：南京大学于2018年底建立了原子制造创新研究中心，其研究内容包括开发新一代原子簇、二维原子层晶体和原子机器的材料与器件；中国科学院启动了战略性先导科技专项(B类)“功能导向的原子制造前沿科学问题”，该专项设立了三个研究方向——低维材料和异质结构的原子尺度精准制造、原子尺度精准结构与性能的对应与调控关系、高品质异质结构信息器件的原子制造；天津大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、大连理工大学、国防科技大学、清华大学等高校及若干科研机构也开展了相关基础研究。需要说明的是，目前许多“原子制造”研究更多地聚焦于凝聚态物理的前沿热点方向，开发与设计新型原子团簇或低维功能材料，其研究核心有别于制造。制造是把原材料加工成满足使用者要求的产品的全工艺过程，其重点在于获得包括精度在内的性能指标以满足使用需求。ACSM指的是制造对象与过程直接作用于原子，跨越宏、微、纳观尺度，材料在原子量级被去除、转移或增加，将原始材料或部件转化为满足用户期望或性能要求的产品的所有必要步骤。ACSM旨在通过原子尺度的操作，最终得到具有预期功能的微器件，是真正意义上的功能定制，即根据所求功能，直接操纵原子，跨越现有材料特性限制，确定性地达到预期功能要求。
2 主要内容
2.1 科学价值
科学理论与技术的发展由问题与需求所驱动，例如在物理学中，,经典力学理论不能描述高速运动的力学系统和微观系统,描述这样的系统需要新的理论和学说,由此需求诞生的相对论和量子力学,刷新了人们对世界的认知,并直接推进了生产力的发展.又如，在制造领域，早在20世纪40年代，ERNST等提出了金属切削领域著名的剪切模型[19]，用来描述宏观切削过程。随着对精度与表面质量要求的提高，精密与超精密加工相继出现，材料去除量降低至微米与纳米量级。加工尺度的减小改变了载荷状态与材料行为，致使经典剪切模型失效，针对此，天津大学提出了以推挤为主因的切削机理，并系统开展了纳米乃至原子尺度的材料去除的基础理论研究[20]。同样，传统意义上，脆性材料无法通过切削方式进行加工，而理论研究表明这些材料在纳米尺度下仍然能够发生塑性行为，这是目前各种脆性功能晶体适用于金刚石超精密切削的根本保障。作为另一种典型的减材制造工艺，光刻技术一直面临着降低线宽、延续摩尔定律的挑战，从5 μm到5 nm，极限尺寸在40年内经历了1 000倍的变化，并正在向3 nm方向发展。在此过程中出现了一系列技术创新与突破[21]，如大数值孔径镜头的研发、光源波长的减小(荷兰ASML公司所用的极紫外光源波长为13.5 nm[22])、全反式光路与光阻放大、沉浸式光刻、原子层沉积与刻蚀技术[23]等。
芯片是体现国家制造水平与国际竞争力的核心器件之一，通过优化现有IC工艺来减小线宽已越来越困难，特征尺寸已经达到几纳米的量级，这预示着芯片的发展已经逼近其物理极限。新一代核心器件的出现已是必然，而实现新一代芯片制造技术必然是原子尺度的。ACSM对制造理论与技术的推动将是全新的，在第一代基于经验与艺术的制造以及第二代的精密与超精密制造中，量子效应是不明显的。对于ACSM，制造对象是原子尺度的,在原子尺度上,量子效应对制造过程与结果产生直接影响，这是制造Ⅲ与制造Ⅱ、制造Ⅰ的根本区别：ACSM的基础理论体系基于量子理论。
ACSM打破了现有制造中材料的增、减与转移三种模式的明确界限，在极端情况下均归结为单原子运动与迁移过程。不管是自下而上的原子级组装，还是自上而下的原子级去除，电子态的调控(即键的形成与断裂)都是其基本过程。因此，ACSM具有完全不同于现有制造的理论框架，该框架的底层不再是基于诸如应力/应变、化学方程式或传统光学等原理，而将由量子力学与不确定性原理所决定。ACSM应从基本物理定律出发(并非单纯的几何计算)对制造极限、精度等概念在原子尺度下的内涵进行重新定义，同时衍生出一系列新原理与新技术。例如，不同于现有制造中能量作用于材料的表面微元或体微元，ACSM中精确的原子操纵需要将能量直接作用于单个原子或原子团簇之上，因而要求能量场具有极高的空间分辨力。这种操控原理势必是基于原子尺度及原子与纳观尺度对象间相互作用机制的，并具有强量子效应。制造装备方面，目前的超精密机床与光刻机是通过对具有宏观尺寸的物体或能量束的精密控制来实现最终的制造精度，而ACSM的原子级过程则可能掀起微尺度到原子尺度机器的研究热潮。由于这一尺度下的相互作用与宏观力不同，传统的机械设计流程将被新方案所代替，甚至主轴、导轨等功能结构可能由大分子链或原子团簇组成。原子尺度的测量目前能够通过原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)以及扫描隧道显微镜(STM)等多种方法实现，而ACSM将赋予测量新的涵义。一方面，某些测量设备中的能量束已经可以用作加工[24]；另一方面，ACSM的量子特性使测量过程具备了影响被测对象的可能性，这在现有制造中是未曾出现的。在量子理论中，测量被广义地理解为微观粒子与经典物体的相互作用[25]，通过测量不仅能够获得、还会影响微观系统的状态，这很可能是ACSM中测量所具有的新特性。在下一代制造中，ACSM具有更强的多领域交叉性，原子尺度下精度与性能的实现也必然要融合几乎所有自然科学与技术领域的前沿发展成果。
ACSM将对微观世界的物理、化学、生物等领域的研究提供强有力的支持，如构建结构更为复杂的人造材料、进行化学反应的精确控制以及基因片段的精确调控等。物理学家费恩曼于1959年提出了“There’s Plenty of Room at the Bottom”的思想，并由此开启了纳米时代。至今已经存在了诸多原子尺度的相关工作，如分子电路、分子机器[26]等。作为下一代制造的核心技术，ACSM一方面需要借鉴这些工作，但更重要的是它将构建从原材料到满足用户需求的最终产品的一整套原子及近原子尺度解决方案，以包括精度在内的性能要求为第一要务，实现高效、高重复性与高性价比的产业化需求。
2.2 主要科学问题
ACSM包括将原始材料或部件转化为满足用户需求的产品的所有必要步骤，这其中不仅涉及原子级精度，还包括对材料在原子及近原子尺度下进行去除、增加或转移的制造过程。完整的ACSM研究应该从原子及近原子尺度系统性地解决三类制造领域中较为共性的科学问题(分别与内在机理、工艺方法与装备以及评价体系相关)，如图2所示。
图2 原子及近原子尺度制造的主要科学与技术问题
Fig.2 Key scientific and technical concerns of ACSM
(1)科学问题一：单原子操作规律、多原子相互作用机理及ACSM与宏观尺度的联系 ACSM进一步发展的关键在于理解原子及近原子尺度制造的内在机理，当制造的对象到达原子及近原子尺度时，传统宏观加工理论已经无法准确描述和预测被加工材料中原子去除、迁移或增加的机理，需要进行更多的理论研究。内在机理部分的科学问题按照由基础研究到应用的思路展开，分为单原子操作、多原子相互作用及多尺度建模理论。ACSM作为典型的新一代制造技术，其制造精度将达到原子尺度，单原子的捕获、定向移动与高精度定位决定了ACSM中每一个基本单元的结构精度与可靠性程度，直接影响最终使用性能。因此ACSM机理研究中的第一个问题是理解和认识单原子操作规律的基础问题，这个问题包括单原子捕获、移动和定位的完整过程，即实现单原子稳定捕获后需要继续完成高精度移动与定位，最终将单原子放置在原子级器件的指定位置。这样才能保证ACSM制造精度达到原子尺度，这是其他学科中微粒操作相关技术涉及较少的，需要新的理论与方法。在ACSM中，原子级操作最终需要形成相应的单原子或多原子结构，进而实现原子级器件的最终使用功能，因此ACSM机理研究中的第二个问题在于认识广泛的多原子相互作用、多原子结构的形成规律、如何获取稳定结构及该结构对原子级器件最终使用性能的影响机制和影响程度，该问题是ACSM由基础研究走向应用的关键。无论是单原子结构还是多原子结构，在实际物理空间中都会与其他原子发生相互作用，即存在一种或多种广泛存在的相互作用。在宏观尺度上，系统可被牛顿力学描述.这种作用可被牛顿力学描述。但在原子及近原子尺度，这种广泛存在的效应尚不清晰，ACSM中结合量子力学的最新成果有望给出可能的答案和实验验证手段，并且对该问题的进一步探究会揭示多原子结构的形成规律，有助于提高ACSM水平从而实现原子级器件的最终使用性能。ACSM机理中的第三个问题是认识ACSM与宏观尺度的联系，包括预测ACSM功能器件在宏观尺度的使用性能及量化ACSM。这是拓展ACSM应用范围、保证ACSM产品最终使用性能的重要科学问题。器件的宏观作用可以解释为大量原子同时作用的统一平均表现，例如分子动力学仿真相关研究通过对大量分子运动的计算可以实现对宏观材料切削力等参数的预测。ACSM过程与器件宏观使用性能之间存在高度的内在统一，因为原子是宏观尺度作用和ACSM的共同物质基础。基于原子的数学描述，进行数学物理交叉研究、建立ACSM数学体系是跨尺度研究的关键，例如建立ACSM多尺度物理数学模型，这也是量化ACSM的重要一步。
(2)科学问题二：能量直接作用在原子级基本制造单元 ACSM工艺方法与装备中的科学问题是实现ACSM的核心问题，ACSM制造方式大致可概括为原子级减材、增材和材料迁移以及其他新型的制造手段。相较于机理研究中的科学问题，此类问题是研发大规模、高效ACSM工艺方法的基础。传统的原子级加工手段，如基于STM的原子加工，一次操作往往只能移动一个或数个原子，直接应用在ACSM中会存在效率低的问题。若要完成批量原子级器件的生产制造则需要新的高效原子级加工工艺理论。如何在制造中将能量尽可能多地直接作用在单原子或多原子基本单元上是提高ACSM制造效率的关键科学问题。这一问题包含两个方面：一是要研究ACSM装备的设计原理(包括了结构设计和控制原理)和环境控制，形成适用于原子及近原子尺度的制造系统，在原子级器件的尺度下进行制造活动，该方面的核心是认识和了解在原子及近原子尺度下制造系统的物料流、信息流和能量流如何运动，并探索建立具有一定通用性的多维制造系统；二是在ACSM中，原子间的作用力不能被忽视，要认识和利用原子间的作用关系，研究使原子自发形成功能器件的自组装原理，并发展为较为通用的ACSM制造方法及相应装备。
(3)科学问题三：原子及近原子尺度下的测量新特征 ACSM测量及评价体系是保证ACSM产品最终使用性能和可靠性的关键。在原子及近原子尺度下，原子级器件中部分结构仅依靠原子间作用力维持，这需要测量时尽可能地减小对器件的影响。认识和了解测量对原子级器件的影响规律并建立符合原子及近原子尺度规律的低损伤测量理论，是ACSM测量中要解决的重要科学问题。在完善测量理论的基础上，ACSM评价体系的建立能够使ACSM更加规范、可靠和高效。传统制造的评价体系建立在大量原子的宏观统一指标上，但ACSM中，单原子或多原子基本单元对器件的最终使用性能影响十分显著，原子级器件的失效机理与宏观器件存在较大差异，因此ACSM评价体系需要新的理论和方法支撑。明确不同ACSM工艺方法和制造参数对原子级器件最终使用性能的影响规律是ACSM评价体系建立的关键科学问题。
2.3 主要目标及内容
ACSM的总体目标是实现一个完整的系统性的原子及近原子尺度制造过程，这个制造过程可以完成原始材料或部件转化为满足用户需求的原子级功能器件或产品所有必要步骤，并在全过程中保证原子级精度与性能。这需要在机理、工艺方法、装备和检测评价体系等各个环节实现重大创新与突破。建立基于原子理论的ACSM基础理论体系是ACSM发展的首要目标和必要条件。ACSM由于其制造活动处于原子及近原子尺度，与传统制造理论存在较大差异，故需要创新性地开展ACSM基础理论研究。丰富和完善ACSM的大规模、高效、高精度工艺方法是ACSM发展的关键目标。新的ACSM工艺需将能量直接作用于原子，建立具有一定通用性的多维制造系统，并创新性地借助原子间的作用力，使原子自发形成特定的功能结构，达到规模、高效及高精度制造的目的。建立测量及评价体系是确定其是否符合目标要求的重要手段。ACSM高精度测量方法是保证ACSM产品最终使用性能和可靠性的前提，ACSM评价体系的建立能够使ACSM更加规范、可靠和高效。ACSM最终目标是将制造领域全面引领进入制造Ⅲ。这要求从内在机理、工艺方法、装备、测量与评价体系等领域的共性问题出发给出制造领域新的范式，并对制造领域的相关经典概念进行更新。图3是综合科学价值、科学问题以及总体目标构建的ACSM的主要内容框图。
图3 ACSM的主要内容
Fig.3 Main content of ACSM
3 重大需求
ACSM作为新一代制造技术，打破了现有制造过程中的材料增、减与转移三种模式的明确界限，在极端情况下均归结为单原子过程。对原子进行高精度的控制和操纵，使传统制造工艺难以实现的尺度极小、精度极高的典型器件的加工成为可能(如量子芯片、冷原子干涉陀螺仪、高效率太阳能电池、航空耐热涂层、潜艇隐身涂层等)，并将其性能提高到一个新的层次。ACSM涉及机械、物理、化学化工、生命科学和材料等多个学科，采用该技术制造的器件和产品有望应用于通信、信息存储与计算、航空航天、能源和医疗等众多领域。本文仅以量子芯片、冷原子干涉陀螺仪及超材料为例，说明国民经济的发展对ACSM技术的重大需求。
3.1 量子芯片
随着大数据时代的到来，传统的电子计算机已经越来越无法满足信息处理速度和存储能力的要求。而超级计算机虽然能够缓解部分计算和存储的压力，但电子芯片集成度的物理极限使得超级计算机只能通过增加体积来提高运算和存储能力。更高的运算速度、更大的存储密度、更低的容错率以及便携化的需求可能需要依靠新一代的计算机——量子计算机实现。
芯片是计算机及许多其他产品的核心部件。对于传统电子芯片，运算效率的提高依赖于电子芯片集成度(单位芯片的晶体管数)的增加。然而，当集成度提高到原子尺度时，线路间的电子会产生干涉从而导致芯片失效，散热问题也面临很严峻的挑战，因此，传统芯片的集成技术走向经典物理的极限时，计算能力的进一步提升必将依托于微观世界的量子化规则。量子芯片具有强大的信息处理能力：量子比特(qubit)得天独厚的叠加和纠缠特性，可极大提高运算速度和存储能力。谷歌开发的一款53 qubit的超导量子芯片“Syca-more”对随机量子线路采样100万次只需200s,而目前最强的超级计算机Summit需时长达１万年[27](IBM 研究人员针对该文的博客中称,只要满足硬盘驱动存储条件,谷歌测试的量子计算任务在现有的计算机上完成只需要2.5天).此外，量子计算还可以重新定义很多程序和算法，颠覆医疗、通信、密码等众多领域，是技术革命的重要科技之一。量子技术无可比拟的优势带来的是一场严峻的国际量子竞赛：谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都为此投入大量研究力量。在量子技术竞争日趋激烈的今天，率先突破技术壁垒的一方必将在综合国力上占据显著优势。
以中性原子量子计算机为例，其作用原理是将中性原子或极性分子捕获在使用激光辐射产生的微观光学阵列中。在此类系统中，可以使用光泵浦、冷却、电磁辐射和荧光等技术在系统中进行有效的初始化、操作和测量[28]，见图4[29]。其中，量子芯片制造的技术难题集中在单个量子点的精确加工以及高复杂结构的量子逻辑门的制造。
图4 中性原子量子计算机的体系结构[29]
Fig.4 Structure of quantum computation with
neutral atoms[29]
目前，量子点常见的合成方法有：有机相合成法、水相合成法、水热法和溶剂热法、微波辅助水热法、微乳液法等。但当前量子点的合成工艺较为复杂，而且产率较低，无法实现高位置精度的量子点制造[30]。ACSM将成为单个量子点精确加工的有效制造手段。
量子逻辑门是通用型量子计算机的处理器组成单元。量子逻辑门通过量子力学的幺正变换完成对量子比特的受控演化, 是实现量子计算的基础。目前，量子逻辑门的加工主要依靠飞秒激光直写技术。飞秒脉冲激光通过高阶非线性吸收，准确地将能量沉积在透明介质内部, 引起介质折射率的永久性改变, 这种无需掩模版的单步骤加工方式能够以极低的成本在介质体内部直接加工出完整的器件。尽管飞秒激光直写技术可以突破光学微加工方法中由于衍射极限给加工精度带来的限制, 但飞秒激光制造涉及很复杂的控制结构(如大量不同分束比的定向耦合器和不同相位关系的干涉仪)，同时，精确控制各分束比和波导相位异常困难, 且多光子输入对损耗要求非常高[28]。另外，如果要对光子实现更复杂的编码，将会涉及立体交叉的真三维波导构架, 同时，调控路径、偏振、模式等的需求也对加工工艺提出了前所未有的挑战。复杂的三维波导对制造技术提出了更高的要求，目前的飞秒激光直写技术难以满足如此复杂结构的制备需求。ACSM能够直接对原子实现高精度操控，因此在加工复杂结构时有更高的自由度和精度，使高度复杂的原子尺度特征结构的制造成为可能。
ACSM通过对单原子的直接操纵，有望实现量子点的高位置精度加工和高度复杂结构的制造，加工位置精度和产率将得到极大的提高。同时，ACSM可在加工中避免缺陷的产生，并能够对材料本身的缺陷进行原子尺度的修复。因此，ACSM技术的引入，将有望突破现有的技术壁垒，在下一代量子芯片开发领域占据主动地位。
3.2 冷原子干涉陀螺仪
惯性导航系统由于其完全自主、不受干扰、输出信息量大、实时性强等优点，在高技术领域具有不可替代的优势。核心惯性器件陀螺仪的精度直接影响惯导系统定位和姿态输出的精度，所以惯性导航技术的发展从某种意义上讲可以等同于陀螺仪传感器技术的发展。利用原子德布罗意波的Sagnac效应的冷原子干涉陀螺，作为第三代量子物质波陀螺的代表，以其超高的测量精度，正成为惯性测量及航天控制领域的研究热点和战略关键[31]。众多机构都已着手于冷原子技术的探索，如[32]：美国国防部先进计划研究署于2003年制定的“高精度惯性导航系统(PINS)”计划和2011年制定的“高动态范围原子传感器(HiDRA)”计划；欧洲空间局(ESA)于2003年制定的“空间中的高精度原子干涉测量技术(HYPER)”计划；法国巴黎天文台于2006年设计了六自由度冷原子陀螺仪；中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室、浙江大学、华中科技大学、中国科学院上海光学精密机械研究所和国防科技大学等也正在从事相关研究。
冷原子干涉陀螺仪以原子作为敏感介质，对原子经过激光的冷却、囚禁和操控等步骤以后，利用原子的能级性质、波动性质对原子波包操作实现干涉，进而可以形成类似环形激光陀螺的干涉现象，测量最终的干涉条纹即可得到载体的转动和加速度信息。原子具有德布罗意波波长短、自由演化时间长和响应频率窄等优点，并且由于原子具有质量、内部结构和能级，干涉现象呈现出比光子更丰富的内容，因此测量精度有极大提高。在惯性导航领域，理论上原子陀螺仪的灵敏度比光学陀螺仪至少高一千倍。传统的惯性导航系统漂移大约是1.8 km/h，而基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航系统漂移理论上不超过10 m/h[33]。
在原子干涉陀螺仪的实现中，原子的冷却、囚禁和操作需要大量的光学器件作为支撑，如图5所示。为了保证陀螺仪的精度和性能，传统光学器件需要经过严密的设计、制造、装配和封装，这使得设备体积大、复杂度高，同时也增加了系统的成本。为了在不牺牲精度的前提下使用便携设备实现原子俘获，可以使用光子集成电路代替传统的光学系统。光子集成芯片比传统的分立光-电-光处理方式降低了成本和复杂性，通过将很多的光学元器件集成在一个单片之中，大规模单片PIC使得系统尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高。此外，光子集成芯片的应用使得传输系统所需要的独立光器件数量大幅减少，同时大大减少了光器件封装的次数。使用光子集成电路制造的原子干涉陀螺仪不仅在系统尺寸上显著减小，而且在角灵敏度和动态范围方面也大幅度提高[34]。
图5 三脉冲冷原子干涉陀螺仪的实现原理[31]
Fig.5 Principle of cold atom interference gyroscope
based on three pulse interference[31]
DARPA于2018年发布的原子-光子集成(A-PhI)项目建议征集书中也将利用光子集成电路的原子干涉陀螺仪列为未来研究重点[35]。然而，在进行光子集成电路的制备时，传统制造技术和理论已经无法满足应用需求。利用ACSM将有望突破传统加工技术制造光子集成电路的瓶颈，实现新型原子干涉陀螺仪的稳定制造。
3.3 超材料及新材料
材料的发展与国民经济建设和人民生活密切相关，是人类赖以生存和发展的物质基础。在传统的制造业中，材料的制备基于材料的自然属性，即自然界有什么材料，就能制造出什么物品。随着制造技术的发展，材料制备不再局限于自然界已有材料，人类有能力突破表观自然规律的限制，逆向设计制造出具有超常物理特性的新型材料。这种具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，被称为“超材料”[36]。目前，超材料的应用主要集中于航空航天与军事隐身技术领域，如图6所示[37-39]。超材料依属性不同可划分为光学超材料、声学超材料、热学超材料和力学超材料，其应用前景十分广泛，覆盖了工业生产、国防军事、航空航天、生物医疗、无线通信和传感探测等多个领域[37，40-41]。在可预见的未来，超材料的研究将在可见光隐身、智能穿戴装备、量子芯片、精密传感探测以及新能源等关键技术研发中发挥重要作用。
(a)光学超材料用于先进战机光学隐身技术[37](b)热学超材料用于战斗机红外隐身[38]
(c)声学超材料助力核潜艇消声[39]
图6 超材料广泛应用于军事与航空航天
隐身技术领域
Fig.6 Metamaterials used in the field of
camouflage technology
超材料功能特性取决于其人工结构，其设计制造理念是将一个个具有不同几何结构的纳米级人工原子重新排列组合，从而形成一种新型功能材料[36,40]。值得注意的是，超材料只是广义上的新材料，而真正意义上的新材料应当是自然界不存在的具有全新微观物质结构和超常物理特性的新型材料。超材料结构的制备工艺主要有印刷电路板堆叠组装、机械加工及组装、微电子刻蚀工艺以及3D打印技术[42]。由于印刷电路板堆叠组装、机械加工及组装、微电子刻蚀等技术普遍存在制备单元结构特征尺寸大，工艺制造成本高、周期长，复杂三维结构的制造难度大等问题，它们在超材料制造中的应用受到很大限制[42-43]。目前，3D打印技术能有效克服复杂结构带来的加工难度，应用最为广泛。但是大部分3D打印技术不能实现多种材料结构的同步制造，这限制了三维超材料结构设计空间，另外，受工艺和材料限制，采用3D打印技术所制备的三维全介质结构承载等力学性能较差，不能满足实际应用的工况条件[42-43]。超材料的功能特性由其微观结构和宏观结构共同决定，所以超材料的制造要同时兼顾其微观结构和宏观结构，这对其制造工艺提出了更高要求[42]。图7所示为超材料的构成与结构。目前实用化的超材料主要为常规材料与超材料融合的产物，超材料的研究主要集中在理论研究和物理特性探索方面，制造技术的滞后发展很大程度上制约了超材料的实用化进程[42]。未来，制造技术与超材料结构理论研究相结合是超材料研究发展的必然趋势，只有通过制造技术和介质材料的共同创新，才能实现超材料尖端技术成果的转化[43]。
(a)超材料与常规材料的融合
(b)不同结构的人工电磁超材料结构示意图
图7 超材料的构成与结构多样性[44-45]
Fig.7 Composition of metamaterials and the
structural diversity[44-45]
ACSM技术的出现和应用有望为超材料结构的制造和新材料的开发提供新的思路。ACSM能够直接作用于微观尺度粒子，可望实现对微观粒子和结构的精准操控和修复，从而优化超材料微观结构，最大限度地开发材料性能。基于ACSM技术，一方面可以根据不同的功能需求在原子尺度上对构成材料的基本单元和结构(原子、分子、电子、价键和晶格结构等)进行设计改造；另一方面，依靠ACSM对材料微观粒子和结构的精准操控，人类可以设计和制造自然界不存在的全新材料，开启功能性材料“定制化”新时代。ACSM技术的发展，可极大地释放新材料/超材料的设计自由度，将前沿科学设计变成科学产品，促进相关领域科研成果的快速转化，直至广泛应用。
4 建议及措施
近年来，我国在半导体技术、集成电路、超材料制备等各关键科学领域已经取得了长足进步，但是不少核心技术受制于国外的现状仍然没有根本改变，亟需加强核心技术攻关、突破瓶颈，保障国防安全、相关供应链安全和产业安全。在当前复杂的国际形势下，工业半导体材料、芯片、器件及超材料制备的发展滞后将制约我国在通信、信息存储与计算、航空航天、国防、能源和医疗等重点领域的突破，进而影响国家安全与经济发展。
针对目前多个前沿领域已面临相关瓶颈的问题，我国需要在现有研究规划的基础上，提前布局下一代制造技术，即原子及近原子尺度制造，抢占科技竞争先机。
4.1 基于科学规律，探索ACSM的内在机理
ACSM是聚焦于原子及近原子尺度的下一代制造技术，其进一步发展的关键在于理解原子尺度及近原子尺度制造的内在机理。基础科学为制造提供理论依据，制造的发展又促进基础领域的研究。在实践中凝练出相关的理论研究成果，又对这些研究领域进行最直接的反哺。建议基于相关领域研究，对原子及近原子尺度下的理论研究重点立项，先行进行基础理论研究的布局。
4.2 遵循具有前瞻性的需求引领，在原子及近原子尺度下实现多领域跨越式发展
在当前复杂的国际形势下，为了避免我国再次出现类似目前在半导体技术、集成电路等关键制造领域被 “卡脖子”的现象，提高国家制造水平与国际竞争力，实现我国技术引跑，有关ACSM的理论与技术探索需要提前规划，尽早布局。ACSM对制造理论与技术的推动将是全新的，而其对各个领域的发展也有强大的推动作用。为了实现跨越式发展，突破敏感材料、关键工艺等发展瓶颈，我国应积极投入对ACSM的研究，开发原子级精度的制造装备。建议根据国家重大战略需求，组织相关专家进行科学论证，成立科学研究平台进行先行探索，以逐渐投入的方式进行孵化，为下一代制造技术的发展提供平台。
4.3 重视学科共性，在原子及近原子尺度下实现学科融合与交叉
当研究的对象到达单原子或近原子尺寸时传统宏观加工理论已经无法准确描述和预测被加工材料中原子去除、迁移或增加的机理，需要进行深入的创新性研究。学科交叉是重大科学成就的源泉，为了理清单原子间或多原子间的作用过程，并将其应用于实际生产制造过程中，ACSM的研究需要机械、物理、化学、材料及生命科学等多个学科不断进行学术交流，通过不同学术观点的争鸣和学术思想的碰撞、切磋、互相渗透和融合，扩大视野。建议针对ACSM的研究，成立相关交叉学科科研管理平台，为未来的学科建设凝聚一批水平高、学科综合交叉的研究团队，相辅相成地展开共同研究。
4.4 具体举措
ACSM的内涵是在原子及近原子尺度下通过物质的规律排布形成制造过程，这是多学科交叉的前沿领域。目前其制造过程的内在机理和工艺仍不清晰，在机械、物理、化学、材料及生命科学等多个学科上的界定仍需进一步完善，其技术基础包括了机械加工、能量跃迁、化学反应等多种类型的物质迁移过程，并且理论背景、技术基础、应用开发前景尚无现成可参考资料，建议国家尽快启动专家论证，组织多领域多学科专家针对ACSM发展开展深入探讨与论证。
ACSM涉及的学科众多，可望为下一代的国家竞争技术和新产品开辟全新的科学渠道，从而提高国家科技竞争力。整个实现过程需要将物理、化学、光学、制造、测试多学科相结合进行真正的变革，而先驱工作需要开展，建议先期建立多学科交叉科学探索平台，聚焦ACSM制造的核心问题——从原子及近原子尺度直接进行规律性排布形成功能结构/器件，开展探索性研究与论证。在充分论证基础上，可全面开展国家ACSM科学研究平台建设，设立ACSM重大专项、创新性人才专项和种子基金，从人才、项目、平台角度提供支持，系统充分地研究ACSM相关科学问题。图8所示为ACSM发展简要规划建议。
图8 原子及近原子尺度制造发展规划建议
Fig.8 Proposal for the ACSM development program
(1)建立国家ACSM科学研究平台。ACSM属于新兴前沿多学科交叉研究，该平台可依托物理、化学、制造、测量等多领域人才开展ACSM相关研究和论证，并基于多领域交叉优势致力于建设ACSM的机理、方法、技术，形成具有国际竞争力的研究平台，实现重大突破，占领国际制高点。以若干典型器件为突破口，开展典型器件制造技术的研究。同时注重科研团队的培育，努力形成一批规模大、水平高、学科综合交叉，年龄和知识结构合理，有凝聚力、有活力的创新团队。
(2)设立ACSM重大专项。该先导专项将凝聚一批多学科科学研究团队，致力于ACSM制造机理、工艺及测量等方面研究，实现理论的突破和新基础技术的发明，在优势互补基础上开展协同创新，加强关键技术联合攻关，同时通过专项的支持，培养出一批国际领军科学家和核心技术人才，引领国际ACSM领域发展方向。
(3)设立创新人才培养专项。根据ACSM关键技术需要，开展ACSM探索性、原创性研究，依托高水平大学、科研机构和国内骨干企业，针对性地培养一批高端人才和团队，努力造就世界级科技大师及创新团队，建立有利于科技人员潜心研究的良好环境。设立小额度的种子项目，鼓励“大胆想象”、“风险高”的探索项目由青年科学家独立完成，助力青年科学家的创新，根据项目完成情况和后续研究计划给予持续支持，储备一大批有潜力的青年科学家。高等学校特别是双一流重点大学，具有多学科综合齐备、各层次人才济济、国际合作广泛紧密等特点，可以作为重点依托单位。 形成高等学校与研究院所、重点企业紧密结合的研究基地，由国家资助必要启动经费，尽早起步ACSM的研究工作。
5 后记
产生撰写一份ACSM报告的想法始于2015年，期间多次得到钟掘、姚建年、郭东明、董申、赵继等专家的热情支持和鼓励，但由于这份报告涉及内容宽，超过笔者的知识范围，在构思报告的框架时多次推翻又重新开始，因此一拖再拖。报告形成后，感觉只是少数同行朋友及团队师生交流又辜负了那么多支持这一想法的专家和整理大量资料及信息的老师和同学，所以冒昧地发表于《中国机械工程》，文中想法很不成熟，难免片面。
致谢 真诚感谢袁哲俊、张国雄、钟掘、姚建年、郭东明、董申、赵继、蒋庄德、杨华勇、张璧、朱利民、骆智训、曾周末、邾继贵、赵鸿、罗熙淳、段吉安等专家的建议和支持。感谢赖敏、王金石、闫广鹏、胡春光、张楠、于楠、徐宗伟、刘现磊、李泽骁、吴东旭、顾春阳、陈程昊、袁宇焜、张越、史长坤、薛志富、宋莹、张琨、游开元、吕鹏、刘泽、张皓洋、王颖墨、何越等老师和同学在资料收集和整理中付出的时间与努力。
[1] FANG F Z, ZHANG N, GUO D, et al. Towards Atomic and Close-to-atomic Scale Manufacturing [J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2019, 012001:1-33.
[2] 刘元希. 世界上最早的工具制造者[J]. 世界科学, 2004(12):21.
LIU Yuanxi. The Earliest Tool-maker in the World [J]. World Science, 2004(12):21.
[3] HENSHILWOOD C S, DERRICO F, MAREAN C W, et al. An Early Bone Tool Industry from the Middle Stone Age at Blombos Cave, South Africa:Implications for the Origins of Modern Human Behavior, Symbolism and Language [J]. Journal of Human Evolution, 2001, 41(6):631-678.
[4] GLEBA M, MANNERING U. Textiles and Textile Production in Europe from Prehistory to AD 400[M]. Barnsley：Oxbow Books, 2012.
[5] GILES M. Making Metal and Forging Relations:Ironworking in the British Iron Age [J]. Oxford Journal of Archaeology, 2007, 26(4):395-413.
[6] 房丰洲, 张效栋. 纳米切削基础理论及相关关键技术研究[J]. 中国科学基金, 2014, 28(5):357-359.
FANG Fengzhou, ZHANG Xiaodong. Fundamental Study and Progress of Nano Cutting [J]. Bulletin of National Natural Science Foundation of China, 2014, 28(5):357-359.
[7] POUNDS N J G. The Culture of the English People:Iron Age to the Industrial Revolution [M]. New York：Cambridge University Press, 1994.
[8] de VRIES J. The Industrial Revolution and the Industrious Revolution [J]. The Journal of Economic History, 1994, 54(2):249-270.
[9] BALASSA B, NOLAND M. Japan in the World Economy[M]. Washington：Peterson Institute for International Economics, 1988.
[10] 房丰洲. “工业4.0”不能照搬 ,“制造Ⅲ”：“中国制造”升级的战略选择[J]. 人民论坛, 2015(16):59-61.
FANG Fengzhou.Industry 4.0 Cannot be Copied, Manufacturing Ⅲ Is the Strategic Choice of Manufacturing Upgrading in China [J]. People’s Tribune， 2015(16):59-61.
[11] 房丰洲. 工业转型升级如何突破：把握新一代制造技术发展方向[N]. 人民日报, 2015-06-30(7).
FANG Fengzhou. Updating the Industrial:Seize the Development Opportunity of New Manufacturing Technology [N]. People’s Daily, 2015-06-30(7).
[12] 赵欣欣. 中国制造业发展的历史阶段概述[J]. 西部皮革, 2016, 38(10):273.
ZHAO Xinxin. The Historical Phase of Manufacturing Development in China [J].West Leather, 2016, 38(10):273.
[13] 杜壮. 智能制造:2.0补课、3.0普及、4.0示范[J]. 中国战略新兴产业, 2015(14):46-48.
DU Zhuang.Intelligent Manufacturing:2.0 Catch-up, 3.0 Dissemination, 4.0 Demonstration [J]. Chinese Strategic New Industry, 2015(14):46-48.
[14] Atoms to Product (A2P) [Z/OL]. [2019-09-12].https:∥www.darpa.mil/program/atoms-to-product.
[15] A2P performers [Z/OL]. [2019-09-12]. http:∥www.darpa.mil/work-with-us/a2p-performers.
[16] GERRER L, LING S, AMOROSO S M, et al. From Atoms to Product Reliability:toward a Generalized Multiscale Simulation Approach [J]. Journal of Computational Electronics, 2013, 12(4):638-650.
[17] RASHIDI M, WOLKOW R A. Autonomous Scanning Probe Microscopy in Situ Tip Conditioning through Machine Learning [J]. ACS Nano, 2018, 12(6):5185-5189.
[18] 李沫, 李倩, 张健. 原子制造与原子微系统:A2P与强约束集成微系统技术的结合[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2016, 14(5):793-799.
LI Mo, LI Qian, ZHANG Jian.Atom Assembly and Atom Microsystem:a Blend of A2P and Strongly Constrained Integrated Microsystem [J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 14(5):793-799.
[19] SHAW M C, COOKSON J O. Metal Cutting Principles [M]. New York:Oxford University Press, 2005.
[20] FANG F Z, WU H, LIU Y. Modelling and Experimental Investigation on Nanometric Cutting of Monocrystalline Silicon [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005, 45(15):1681-1686.
[21] 半导体光刻技术及其发展历程[Z/OL]. (2018-11-27 )[2019-09-12].http:∥www.elecfans.com/d/822306.html.
The Development of Semiconductor Lithography [Z/OL]. (2018-11-27 )[2019-09-12]. http:∥www.elecfans.com/d/822306.html.
[22] EUV Lithography[Z/OL]. [2019-09-12].https:∥www.asml.com/en/technology.
[23] 在原子尺度上进行精密控制[Z/OL]. [2019-09-12]. https:∥www.lamresearch.com/zh-hans/products/our-processes/.
Precision Control in Atomic Scale [Z/OL]. [2019-09-12].https:∥www.lamresearch.com/zh-hans/products/our-processes/.
[24] JESSE S, BORISEVICH A Y, FOWLKES J D, et al. Directing Matter:toward Atomic-scale 3D Nanofabrication [J]. ACS Nano, 2016, 10(6):5600-5618.
[25] LANDAU L D, LIFSHTZ E M. Quantum Mechanics:Non-relativistic Theory [M]. New York: Elsevier, 2013.
[26] 世界上最小的机器[Z/OL]. [2019-09-12]. http:∥www.360doc.com/content/17/0625/20/9824753_666481831.shtml.
The Smallest Machine in the World [Z/OL]. [2019-09-12].http:∥www.360doc.com/content/17/0625/20/9824753_666481831.shtml.
[27] ARUTEF,ARYAK,BABBUSHR,et al.Quan-tum Supremacy Using a Programmable Supercon-ducting Processor[J]．Nature,2019,574（7779）:505-510.
[28] 张茜,李萌,龚旗煌,等．飞秒激光直写光量子逻辑门[J],物理学报,2019,68（10）：104205.
[28] ZHANG Qian,LI Meng,GONG Qihuang,etal.Femtosecond Laser Direct Writing of Optical Quantum Logic Gates[J]．Acta PhysicaSinica ,2019,68（10）：104205.
[29] SAFFMAN M. Quantum Computing with Atomic Qubits and Rydberg Interactions:Progress and Challenges [J]. Journal of Physics B:Atomic, Molecular and Optical Physics, 2016, 49:202001.
[30] 岳文瑾，聂光军，兰阳明，等. 量子点的合成、表面修饰及在聚合物太阳电池中的应用[J].材料导报，2014 ，28(5):53-57.
YUE Wenjin, NIE Guangjun, LAN Yangming, et al. Synthesis, Surface Modification of Quantum Dots and Their Application in Polymer-based Solar Cells [J]. Materials Review, 2014 ，28(5):53-57.
[31] 张淋, 高伟, 李倩. 冷原子干涉陀螺仪实现及其性能分析[J]. 仪器仪表学报, 2018，39(7):11-18.
ZHANG Lin, GAO Wei, LI Qian. Realization and Performance Analysis of Gyroscope Based on Cold Atom Interference [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2018，39(7):11-18.
[32] 邓建辉, 郑孝天. 冷原子干涉陀螺仪发展综述[J]. 光学与光电技术, 2014, 12(5):94-98.
DENG Jianhui, ZHENG Xiaotian.Development of Cold Atom Interferometic Gyroscope [J]. Optics & Optoelectronic Technology, 12(5):94-98.
[33] 邹鹏飞, 颜树华, 林存宝, 等. 冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域的研究现状及展望[J]. 现代导航, 2013, 4(4):263-269.
ZOU Pengfei, YANG Shuhua, LIN Cunbao, et al.Research Status and Srospects of Cold Atom Interferometry Gyroscope in Inertial Navigation Fields [J]. Modern Navigation, 2013, 4(4):263-269.
[34] DARPA发布原子-光子集成项目建议征集书，研发非GPS定位导航技术[EB/OL]. (2018-08-03 )[2019-09-12].http:∥www.sohu.com/a/244934098_313834.
DARPA Released the Proposal for Atom-photon Integration Project, Developing Non-GPS Positioning and Navigation Technology [EB/OL]. (2018-08-03 )[2019-09-12].http:∥www.sohu.com/a/244934098_313834.
[35] Defense Advanced Research Projects Agency [Z/OL]. [2019-09-12].https:∥www.darpa.mil/.
[36] 周济, 李龙土. 超材料技术及其应用展望[J]. 中国工程科学, 2018, 20(6):77-82.
ZHOU Ji, LI Longtu.Metamaterial Technology and Its Application Prospects [J]. Strategic Study of CAE, 2018, 20(6):77-82.
[37] HAN T , BAI X , THONG J T L , et al. Full Control and Manipulation of Heat Signatures:Cloaking, Camouflage and Thermal Metamaterials [J]. Advanced Materials, 2014, 26(11):1731-1734.
[38] MA H F , CUI T J . Three-dimensional Broadband Ground-plane Cloak Made of Metamaterials [J]. Nature Communications, 2010, 1(3):21.
[39] BUCKMANN T, THIEL M , KADIC M , et al. An Elasto-mechanical Unfeelability Cloak Made of Pentamode Metamaterials [J]. Nature Communications, 2014, 5:4130.
[40] 周济, 于相龙. 智能超材料的创新特性与应用前景[J]. 中国工业评论, 2018(8):20-28.
ZHOU Ji, YU Xianglong. The New Characteristic and Application Prospects of Intelligent Metamaterials [J]. China Industry & Information Technology, 2018(8):20-28.
[41] 史旭明, 张军, 许仲梓. 隐身材料的研究进展[J]. 材料导报, 2007, 21(增刊1):310-315.
SHI Xuming, ZHANG Jun, XU Zhongzi.Research Review of the Camouflage Materials [J]. Materials Review, 2007, 21(S1):310-315.
[42] 田小永, 尹丽仙, 李涤尘. 三维超材料制造技术现状与趋势[J]. 光电工程, 2017, 44(1):69-76.
TIAN Xiaoyong, YIN Lixian, LI Dichen.Current Situation and Trend of Fabrication Technologies for Three-dimensional Metamaterials [J]. Opto-Electronic Engineering, 2017, 44(1):69-76.
[43] 梁庆宣, 杨贞, 何锦, 等. 超材料结构增材制造技术及其应用研究进展[J]. 航空制造技术, 2019, 62(1/2):30-37.
LIANG Qingxuan, YANG Zhen, HE Jin, et al. Research Progress of Additive Manufacturing Technology and Its Applications for Metamaterial Structure [J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2019, 62(1/2):30-37.
[44] SOUKOULIS C M , WEGENER M . Past Achievements and Future Challenges in the Development of Three-dimensional Photonic Metamaterials [J]. Nature Photonics, 2011, 5(9):523-530.
[45] 于相龙, 周济. 智能超材料研究与进展[J]. 材料工程, 2016, 44(7):119-128.
YU Xianglong, ZHOU Ji.Research Advance in Smart Metamaterials [J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44(7):119-128.
