怀柔极限挑战实验室探秘：国际首个综合极端条件装置如何推动量子科技

来源：环球时报

在什么情况下，信息处理和传输的能耗最低？在什么情况下，特定的材料可以实现超导？要解答这些深刻的问题，往往需要将物质置于其常规边界之外——也就是极端条件下进行观察。这正是北京怀柔科学城建设并运行综合极端条件实验装置（SECUF）的核心驱动力。近期，在2026中关村论坛年会上发布的《开放科学国际合作行动计划》中，该装置被列为面向全球开放共享的十大重大科研基础设施之一。近日，记者实地探访了这座“极限挑战”实验室，试图揭开物理世界更深层的奥秘。

科研人员在综合极端条件实验装置核磁共振测量实验站工作。梁睿摄

“不可替代的平台”

综合极端条件实验装置是中国凝聚态物理领域的国家重大科技基础设施，由中国科学院物理研究所负责建设、运行与管理。它的独特之处在于，这是全球首个将极低温、超高压、强磁场、超快光场这四大极端条件协同集成的实验装置。今年1月，该装置实现了35.6特斯拉全超导磁体（可用孔径35毫米），创造了全超导用户磁体新的世界纪录。

该装置聚焦于物质科学中的凝聚态物理与材料科学重大前沿问题。物质科学与日常生活息息相关，我们日常使用的手机、电脑芯片、信息存储器件等核心产品，其底层原理都与物质科学紧密相连。核心工作，就是探究物质的微观结构与功能特性，揭示其背后的基本科学原理。

信息处理与存储的本质，其实是材料在不同物理状态间的切换，也就是大家熟知的‘0’和‘1’两种状态——分别对应材料的低阻态与高阻态。要实现高效的信息处理，首先要明确材料具备哪些可能的状态，更要掌握精准调控这些状态的方法，通过电流、温度、磁场、压力等外界刺激，让材料在不同状态间按需转换。

当前，人类正迈入以量子科技为核心的第四次科技革命。大数据、人工智能的快速发展，对信息处理的速度和能耗提出了近乎极致的要求，数据中心的能源消耗持续攀升。因此，低能耗的信息处理与传输成为核心发展方向，而这一目标的实现，必须建立在对量子物态的深入研究与精确调控之上。量子效应的显现与操控，恰恰离不开极端物理条件的支撑。

将极低温、超高压、强磁场、超快光场等极端条件集成融合，打造出国际首个综合极端条件实验装置，正是为量子物态的探索与调控提供了一个不可替代的实验平台，也为量子科技的底层突破筑牢了研究基础。

更高效地“拼图”

与传统单一功能的大科学装置不同，综合极端条件实验装置是一个由多个实验站组成的集成系统。据介绍，该装置在北京怀柔共拥有22个实验站，除2个支撑平台外，其余20个实验站全部对外开放。

综合极端条件实验装置核磁共振测量实验站实验装置 梁睿摄

国内外已有不少先进的极端条件实验装置，例如美国、日本建有强磁场装置，国内也有位于武汉的脉冲强磁场装置和位于合肥的稳态强磁场装置。但这些装置大多以单一方向的“极致”为特色。这套装置最大的不同，在于其“综合极端”路线——它并非简单地将几种极端条件并列，而是致力于将极低温、超高压、强磁场、超快光场等关键条件深度整合。

这种整合体现在，大部分实验站都能同时实现2到3种极端条件的联用。不仅如此，装置还实现了测量手段的整合。力、热、光、电、磁等各种精密测量手段被集成进来，确保在极端环境下依然能实时、精准地测量材料的导电特性、光学响应等性能。简而言之，这里实现了极端条件与测量手段的“双重集成”。

双重集成带来的优势是显而易见的。在当今科研竞争白热化的背景下，抢占科技制高点特别看重效率与速度。如果还像过去那样，在不同地点、不同设备上分别测试不同参数，不仅耗时长久，还容易导致研究重复或错失先机。在这里，一旦有新发现或新材料出现，多个实验站可以同步开展测试、协同攻关，就像高效地拼接一幅科学拼图，能快速补齐关键数据，极大提升科研效率。

从“不确定”到“难以复制”

自运行以来，综合极端条件实验装置始终坚持面向国际开放合作。据介绍，自2024年试运行以来，已有来自德国、法国、英国、瑞士、日本、新加坡等11个国家的16家科研机构在该装置上完成实验。截至目前，装置已开放50万小时用户机时，其中国际科研人员使用占比约3%至4%，团队正力争在2030年将这一比例提升至20%。

开拓国际用户，除了需要过硬的装置实力，更需要用踏实的工作和扎实的成果来赢得信任。海外科研团队不远万&里前来，通常只有两到三周宝贵的实验时间。他们必须确信：这里的装置稳定可靠，团队专业高效，并且彼此秉持着相同的科学追求与价值观。

事实上，不少国际科研人员初来时对装置性能心存疑虑，但经过一段时间的共同工作，他们的看法往往会改变。因为他们发现，这里提供的综合极端实验条件，在其他地方难以复制。事实胜于雄辩。越来越多国际科研团队选择来到中国使用这套装置，这本身便印证了其已形成的独特优势，并走在全球该领域的前列。