5個前沿科學問題

1、如何突破時-空極限實現超快超分辨成像？

How to break through the spatio-temporal limit to achieve ultrafast and super-resolution imaging?

   2014年諾貝爾獎授予了將光學顯微帶入納米尺度的超分辨熒光成像技術，但其依賴于熒光標記，且時間分辨率較低。壓縮超快成像技術兼具飛秒時間分辨率和極高數據壓縮比，但以犧牲空間分辨率來觀測超快動態過程。發展超快超分辨成像技術，在無標記寬場成像下實現時-空分辨率的協同突破，將極大推動人類對各類超快微觀現象的認知，助力“追光捕快、察微顯納”的新成像體系建設。

2、人們能以多高的自由度塑造光？

How arbitrarily can light be shaped?

   自從認識光現象起，人們便嘗試不斷改變光的“造型”。從早期的透鏡聚焦光能，到現代顯微技術中的復雜結構光、激光雷達形貌測量中的點陣投影等，還有精細激光加工中超長焦深的貝塞爾光束、具有彎曲空間傳播軌跡的艾利光束等。對光的塑造能力越高、對其利用程度也越高。為此，應從原理上探索塑造光的極限，即人們能以多高的自由度塑造光？

3、光學系統的體積極限是多??？

What is the volume limit of an optical system？

   光學元件的性能在很大程度上受到可用光學材料和結構設計的限制?；诔砻娴钠矫婀鈱W器件以及各類新型微納元件有望將核心光學元件縮小到幾百微米級別，相比傳統復雜光學系統體積顯著減小了六個數量級。但如何確定具有特定功能的光學系統的體積理論極限還有待研究，從而進一步實現微型化、微型化與集成化，將在AR/VR、遙感探測及未來納米科技等領域產生巨大影響。

4、光電子芯片的集成度極限是什么？

What is the limit of photonic integration?

   面向未來十年或更長遠時間，光電子芯片集成度的增長會遇到瓶頸，相應的容量要擴展到Pb/s量級會遇到許多根本性的限制。本科學問題涉及芯片容量、尺寸、功耗三個方面的理論和技術的極限，需要在超寬帶透明光電材料、高集成度器件中的光場調控、高效率低功耗調諧機理等方面研究變革性的新原理和新技術。

5、如何使光計算完備？

How to make optical computing complete？

   采用光學方法來實現運算處理和數據傳輸是后摩爾時代算力、功耗問題極具潛力的解決途徑之一。光子具有光速傳播、抗電磁干擾等特性，以及具有天然的多維復用和并行計算優勢，十分契合人工智能等應用領域大數據處理的需求。但目前光子計算面臨著很多挑戰，例如光子芯片的集成度仍有待提高；計算精度仍低于電子芯片，器件架構未優化，上述挑戰亟需研究。

5個工程技術難題

1、如何實現EW超強激光？

How to create EW ultra-intense laser？

   依托我國神光裝置，攻克甚多束超短脈沖激光高效優質相干合成、超高信噪比管控、等離子體壓縮等核心難題，突破EW超強激光高增益、高品質、高負載三大受限條件，國際上率先實現EW級峰值功率激光輸出，率先進入超相對論物理等前沿基礎研究領域，輻射帶動平均功率萬瓦級超短激光技術發展和應用。

2、如何構建超大型空間光學裝置？

How to construct the ultra-large space optical instrument?

   超大型空間光學裝置是當前世界宇航企業重點發展的綜合性大系統工程方向。在軌組裝和維護則是構建超大型空間光學裝置的重要技術途徑，即將系統的各個組成模塊發射入軌，再利用空間操控工具對各個模塊進行在軌組合和裝配。該技術的實現將引領彈性可重構光學遙感系統的跨越式發展，并為未來空間飛行器維護與服務奠定技術基礎。

3、如何實現高功能密度感存算一體光電集成芯片？

How to realize that photoelectric integrate chip with high functional density sensing and memory integration？

   能夠執行探查、識別、飛行、定向打擊等任務的微型機器人對功耗、尺寸、功能要求十分苛刻?，F有設備集成化程度低，處理數據量大，成像體制單一，無法實現一體化探查。為解決這些問題，可采用感存算一體化仿生架構，突破光電融合集成、智能感知處理等關鍵技術，挖掘低頻有效信息，降低能耗壓力，實現高功能密度、極小型化、極低功耗的一體化光電集成芯片。

4、如何實現在原子、電子本征尺度上的微觀動力學實時、實空間成像？

How to achieve real-time and real-space imaging of microscopic dynamics on the intrinsic scale of atoms and electrons?

   原子、電子是自然界許多現象的核心，其結構及運動狀態決定了所構成物質的宏觀特性。原子、電子的運動發生在飛秒至阿秒的超快時間尺度以及皮米的超小空間尺度上，因此，需要同時具備“皮米空間分辨率”與“阿秒時間分辨率”的阿秒電子成像技術以實現對原子-亞原子微觀世界中超快動力學過程的探測與控制，揭示材料中各種功能的微觀起源。

5、如何實現高時空分辨率的全球重力梯度測量？

How to retrieval high time and spatial resolution global gravity gradient？