기술동향
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고속자기부상열차의 “동력 심장” 핵심 기술 파악

최근, 중국 중처주저우(中车株洲)유한회사(CCRC)가 참여한 중국 "13차 5개년 계획" 중점개발 계획 "고속자기부상 교통시스템 핵심기술 연구" 서브 프로젝트가 이미 긴고정자(지상 1차, long stator) 직선형전동기와 서스펜션 전자석 독자 개발에 성공하여 시속 600km 자기부상열차 시제품에 응용되어 양호한 운행상태를 보였다. 이는 중국의 고속자기부상열차 핵심기술이 세계 선두를 달리고 있음을 의미한다. 고속자기부상열차와 중저속자기부상열차는 전기구동에 대한 요구가 서로 다르다. 중저속자기부상열차는 주로 접촉망을 통해 전력을 공급받는데 이런 전력공급 방식은 고출력 고속자기부상열차의 안정적인 전력 공급을 보장할 수 없다. 또한, 열차가 지면에 부착하여 고속 "비행"하기 때문에 열차 자체의 중량을 최대한 감소시켜야 한다. 연구팀은 긴고정자 직선형전동기를 개발하여 중저속자기부상열차의 차상 1차(short stator) 직선형전동기의 "고정자"를 차체에서 궤도로 옮겨 지상 전력공급 설비가 직접 전력을 공급하게 함으로써 안정적인 전력공급을 확보했다. 고출력 인버터도 열차에서 지상으로 옮겨 열차의 자체 중량을 대폭 감소시켰다. 해당 긴고정자 직선형전동기는 고속 운행하는 열차의 고출력 요구를 충족시킴과 아울러 열차에 부상력과 견인력을 제공한다. 중저속자기부상의 차상 1차 구조와 비교해 긴고정자는 동시 제어 방식을 이용하여 전동기 효율을 20 % 향상시키고, 전동기 전압을 10 % 이상 향상시켰다. CRRC는 긴고정자 직선형전동기, 부상, 가이드 및 브레이크 전자석 기술과 엔지니어링 제조 연구에 초점을 맞추고 3년간 독자 개발을 진행하여 3D 시뮬레이션플랫폼, 유한요소시뮬레이션플랫폼, 온도장 시뮬레이션 플랫폼, 시험 검증, 공정 검증 등 분야에서 단계적 성과를 이루었고 고속자기부상열차 전동기 구동의 핵심 기술을 보유했다.

탐지효율 90% 초과하는 단일 광자 탐지기의 산업화 추진

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최근 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 유리싱(尤立星) 연구팀이 자체로 개발한 단일 광자탐지기는 탐지효율이 90% 이상에 달하는 성과를 거두었고 이에 따른 산업화 과정이 추진 중에 있다. 연구팀이 개발한 저온 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD) 기술은 빛에 민감한 초전도 나노재료의 특성을 이용해 단일 광자를 탐지한다. SNSPD 핵심기술을 보유하기 전 중국 양자통신 시험에 사용된 단일 광자 탐지기의 효율은 20% 밖에 안 되었고 잡음이 큰 단점으로 세계 최고 수준과 거리가 멀었다. SNSPD시스템의 실용성 및 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 신형 회로구조 개발을 통해 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시켰다. 또한 응용환경을 실험실환경에서 실제 현장환경에로 확장시켰다. SNSPD시스템은 기계냉각기술에 기반해 플러그 앤 플레이를 실현함으로써 국외 동일 유형 단일 광자 탐지기에 비해 사용자 친화 성능을 대폭 향상시켰을 뿐만 아니라 응용원가를 뚜렷이 낮추어 양호한 보급가치를 보유한다. 2013년에 미국이 규화텅스텐(WSi) 재료를 사용해 개발한 SNSPD 탐지효율은 최대 93%에 도달했다. 그 당시 중국이 질화니오븀(NbN) 재료로 개발한 SNSPD 탐지효율은 4% 밖에 안 되었다. WSi 재료로 제조한 장치는 NbN에 비해 더 낮은 작업온도를 요구하기에 저온 냉각장비 원가도 배로 증가한다. 연구팀은 NbN 재료를 사용한 SNSPD 개발을 견지해 2016년에 세계 최초로 NbN SNSPD 장치의 광섬유 통신 1,550 나노파장 탐지효율을 90% 이상에 도달시켰다. 연구팀은 그 이후로 NbN SNSPD 장치효율의 세계기록을 지속적으로 유지했다. 뿐만 아니라 잡음의 근원을 파악한 토대에서 온칩(on-chip) 집적 저온 필터, 광섬유 말단면(end face) 저온 필터 등 2종 다크카운트(Dark Count) 억제 핵심기술을 개발했다. 해당 방법을 사용한 초저다크카운트 SNSPD시스템은 다크카운트 1Hz 조건에서 80%에 달하는 탐지효율에 도달할 수 있는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 기술은 현재 중국, 미국, 일본 등 3개국의 특허를 획득했다. SNSPD가 보유하고 있는 효율 등 성능 분야에서의 절대적 우위는 양자통신, 광양자컴퓨팅, 레이저레이더, 심우주통신 등 여러 분야로의 확장응용을 촉진할 수 있다. 상하이마이크로시스템·정보기술연구소는 국가 수요를 만족시키고 시장화 방식을 통한 첨단기술의 자아생존 및 세대교체를 달성하며 과학연구와 산업 간 교량 구축을 목표로 SNSPD기술의 산업화를 추진 중에 있다.

300킬로미터 더블 필드 양자키분배 완벽구현

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최근, 중국과기대학 판젠웨이(潘建伟)/장창(张强)/류양(刘洋) 및 칭화대학 왕샹빈(王向斌), 중국과학원 상하이마이크로시스템연구소 유리싱(尤立星) 등은 공동으로 300킬로미터 실제 환경 광섬유에서의 더블 필드 양자키분배를 구현함으로써 장거리 양자 통신 분야 연구에서 중요한 성과를 거두었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"의 인터넷버전에 게재되었다. 연구팀은 300킬로미터 더블 필드 양자키분배를 완벽하게 구현했을 뿐만 아니라 700킬로미터 이상의 광섬유에서 장거리 양자키분배 구현 가능성을 검증함으로써 차세대 장거리 도시 간 양자키분배의 기반으로 될 전망이다. 양자키분배는 사용자 사이에서 보안성이 아주 높은 키분배를 가능하게 함으로써 최고의 보안성 비밀통신을 실현할 수 있다. 그러나 통신 광섬유의 소모와 탐지기 소음 등 원인 때문에 양자키분배 시스템은 일반적으로 100킬로미터 이내에서만 비교적 높은 코드 레이트를 획득할 수 있다. 최근 영국 도시바 회사는 새로운 양자키분배 방안인 더블 필드 양자키분배 방안을 제안했다. 해당 방안은 단일광자의 간섭 특성을 교모하게 이용하여 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 거리를 획득함과 아울러 이론적으로 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 레이터를 획득함으로써 장거리, 고성능의 양자키분배에 새 방향을 제공했다. 하지만, 더블 필드 양자키분배를 실험으로 실현하기에는 조건이 너무 까다롭다. 연구팀은 다양한 실험으로 더블 필드 양자키분배 방안을 검증하고 실제 환경의 위상이 급격히 변화하는 300킬로미터 광섬유 채널에서 더블 필드 양자키분배를 실현하고 통상적인 무중계 양자키분배 방안의 최고 코드 레이트의 이론적 한계를 극복했다. 또한, 탐지기 성능 등을 향상시키는 조건에서 해당 방안이 700킬로미터 이상의 원거리 양자키분배를 구현할 수 있다고 분석하였다.

중국과기대, 양자간섭 실험을 천문학적 규모로 확장

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 중국내외 협력자와 공동으로 세계 최초로 양자점 단광자(Single Photon)와 태양광 간 2광자 간섭, 양자얽힘, 비국소성 등을 실험적으로 관찰했다. 해당 연구는 독립적 광자 간 양자간섭 실험을 서로 1.5억 km 떨어진 두 개의 독립 광원으로 확장시켰을 뿐만 아니라 최초로 천문학적 규모에서 양자통계 원리의 보편성을 검증함과 아울러 열광 필드(thermal light field) 양자화의 직접적 실험증거를 제시했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 다수 양자정보기술의 기반인 독립적 광자 간 양자간섭 현상은 고전적인 전자기파 원리로 해석할 수 없으며 반드시 광 필드를 양자화 처리해야 한다. 현재 세계적으로 보고된 연구에 의하면 다양한 광원 간 양자간섭은 이미 실현되었다. 중국과기대 연구팀은 최초로 자연적 원거리 열광원인 태양을 이용한 양자광학 실험을 제안했다. 높은 대비도의 양자간섭을 명확하게 관찰하기 위한 실험에서 주요 어려움은 고성능 단일 광자원 및 다자유도 양자 이레이저(quantum eraser) 기술의 개발이다. 판젠웨이/루차오양 연구팀은 펄스 공명으로 마이크로캐비티 결합을 여기시킨 단일 양자점으로 단일편광, 고효율, 고순도, 높은 동일성, 최적 종합성능의 단일 광자원을 구현했다. 이를 토대로 연구팀은 초협대역 필터링, 초단시간 식별 등을 포함한 일련의 양자 이레이저 기술을 개발했다. 실험에서 50% 이상 고전적 한계(classical limit)의 80% 간섭 대비도를 관측함과 아울러 열광(thermal light)의 양자화 성질을 분명히 입증함으로써 천문단위 규모에서 양자 보스(bose) 통계 원리의 보편성을 검증했다. 그리고 태양광 광자와 양자점 단광자 간 충실도가 0.826에 달하는 얽힘상태를 구현함과 아울러 이처럼 공통적인 역사적 유래가 없는 해당 얽힘광자를 이용해 벨 부등식을 검증했고 또한 3배 표준편차 이상의 위반을 실험적으로 획득함으로써 양자역학의 비국소성을 재차 검증했다.

광전식 인코더 자체개발 관련 핵심기술 파악

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최근 중국은 최초로 고정밀도 절대치형 로터리 광전식인코더(absolute value rotary photoelectric encoder) 핵심 칩 및 관련 기술을 자체적으로 개발했다. 광학, 전자, 정밀기계 기술의 집대성인 로터리 광전식인코더는 광전원리를 이용해 회전축의 회전각도 변화를 검출하는 센서로서 엘리베이터, 로봇, 드론, 수치제어 공작기계, 정밀조각기, 의료기계 등에 광범위하게 응용된다. 해당 인코더는 스마트제조 실현 과정에서 필수적인 첨단 제어센서설비이다. 현재 중국의 로터리 광전식인코더 핵심 칩의 수입 의존도는 심각하다. 그리고 중국내 관련 업체 첨단제품은 대부분 독일과 일본의 해결방안을 채택하고 있다. 연구팀은 광전식 인코더 핵심기술을 자체적으로 파악함과 아울러 포토다이오드 어레이, 고정밀도 저잡음 연산증폭기, 제2단 고정 게인 증폭기, 백래시(backlash)가 존재하는 히스테리시스 비교기(hysteresis comparator) 등으로 구성된 정밀도가 23자리에 달하는 로터리 광전식인코더 칩을 개발했다. 해당 칩은 마이크로 3채널 광학버니어(optical vernier) 부호화 기술, 실시간 빛의 세기 교정기술을 통합시켜 온도에 따른 LED 발광 변화, LED 노화, 인코딩 디스크(encoding disk)의 기름·먼지 오염, 탐지기 표면의 청결도 미흡 등 환경요인이 인코더 판독 값에 미치는 영향을 제거함으로써 인코더의 반복 정밀도 및 위치결정 정밀도를 향상시켰다. 이외에도 연구팀은 새로운 분리식 인코더 구조를 발명했다. 아울러 해당 구조로부터 새로운 분리식 인코더 교정·설치 방법을 파생시켜 분리식 인코더 교정·설치 과정의 조작 난이도를 낮추었을 뿐만 아니라 분리식 인코더 완제품의 두께를 뚜렷이 감소시켜 인코더 설치공간을 절약했다.

중국 첫 민간 하이퍼스펙트럼 업무위성 발사 성공

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2019년 9월 12일 11시 26분, 중국은 타이위안위성발사센터에서 창정 4호 운반로켓으로 5m 광학 업무위성을 예정궤도에 성공적으로 진입시켰다. 광폭 하이퍼스펙트럼 및 멀티 스펙트럼 데이터를 효과적으로 획득할 수 있는 동 위성은 자연자원 위성관측시스템을 더한층 보완함과 아울러 후속 계열 위성과 네트워크를 구축해 세계 선진적인 업무화 지구 분광탐사 능력을 형성할 전망이다. 중국이 자체적으로 개발 운영하고 있는 첫 민간 하이퍼스펙트럼 업무위성인 5m 광학 업무위성은 중국 우주인프라계획의 주요 모델로서 민간 우주 인프라 신형 지구관측위성 개발에서 거둔 또 하나의 중요한 성과이다. 향후 5m 광학 업무위성은 가오펀(高分) 5호 위성과 협동 관측을 수행하는 한편 후속 위성과 육지자원 중간 해상도 위성 성좌를 구축해 커버영역 및 재방문 능력을 더한층 향상시킬 예정이다. 국가 "우주 인프라 계획", "육·해 계획"이 점차적으로 실시됨에 따라 2025년에 이르러 자연자원 분야에서 육지 중간 해상도 위성성좌, 고해상도 위성성좌 등이 잇따라 구축될 예정이며 풀 컬러, 멀티 스펙트럼, 하이퍼스펙트럼, SAR, 라이다 등 하중을 포함한 전천후, 풀 스펙트럼 원격탐사 데이터 지원시스템이 형성되어 중국의 천지(天地) 일체화 자연자원 조사 및 감독관리시스템 구축에 기반을 마련할 예정이다.

첫 극지관측 원격탐사 소형위성 징스 1호 발사 성공

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2019년 9월 12일, 중국은 타이위안위성발사센터에서 창정 4호 을(长征四号乙) 로켓으로 중국 첫 극지관측 원격탐사 소형위성 징스(京师) 1호를 성공적으로 발사해 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. BNU-1 번호의 징스 1호 위성은 "3극 원격탐사위성 성좌 관측시스템"의 첫 번째 시험위성이자 중국 첫 극지관측 원격탐사 소형위성이기도 하다. 해당 위성 개발프로젝트는 베이징사범대학이 제안했고 중국과기부와 베이징사범대학이 공동 투자했으며 선전항톈둥팡훙하이터(深圳航天东方红海特)위성유한회사가 개발을 맡았다. 위성이 궤도에 진입한 후 난팡(南方)해양과학·공정광둥성실험실[주하이(珠海)]이 운영을 담당하게 된다. 총무게가 약 16kg인 징스 1호 위성은 광학카메라 2대와 AIS 수신기 1대를 장착했기에 극지 관측은 물론 전세계 임의 지역에 대한 중간 해상도 영상 수집이 가능하다. 동 위성은 고집적도, 고가성비, 짧은 개발주기, 대량생산능력, 유연한 배치, 강력한 확장성 등 장점을 보유하기에 자세제어 정밀도가 높고 기동성이 강하며 데이터 전송량이 많은 마이크로나노 원격탐사위성 임무에 적합하다. 징스 1호 위성의 광폭카메라는 극지관측의 높은 동적 장면을 감안해 전문적으로 설계했다. 센서는 동일 지상물체에 대해 자동으로 장·단시간 2번 노광시켜 융합된 영상을 출력하기에 빙설, 육지 수체(water body)에 동시에 존재하는 높은 동적 장면 이미징 효과를 효과적으로 개선할 수 있다. 임무 완료 후 위성은 궤도이탈 돛을 펼쳐 능동적으로 궤도를 이탈함으로써 우주파편의 발생을 막을 수 있다. 과거 중국의 극지연구는 선박 및 연구기지에 의존해 데이터를 수집하던데서 현재 원격탐사위성 기술에 힘입어 기존에 접근이 어려웠던 지역을 관측할 수 있게 되었다. 따라서 보다 정확한 연구용 영상 및 데이터 획득이 가능해 중국은 불충분하던 극지관측 데이터를 보충할 수 있게 되었다. 징스 1호 위성에 탑재된 고해상도 카메라는 5일 내에 남극 및 북극을 완전히 커버할 수 있을 뿐더러 해빙 이동 및 얼음산 붕괴를 모니터링할 수 있다. 이는 중국의 극지 원격탐사 능력을 대폭 향상시킬 전망으로 중국의 극지 및 글로벌 변화 연구에 중요한 의미가 있다. "길잡이" 위성이기도 한 징스 1호 위성은 "비둘기 무리" 성장모델을 채택해 장차 위성 성좌를 구축할 계획이다. 성좌 구축이 완료되면 극지의 빠른 변화 과정에 대한 시간급 관측을 실현할 예정이다. 징스 1호 위성시스템은 일일 극지 관측을 통해 항로 해빙 변화를 신속하게 보고할 수 있고 또한 AIS 수신기가 수신한 선박정보를 결합해 자동으로 선박의 항해노선을 계획하는 한편 항로의 위험을 평가할 수도 있다. 이외, 동 위성 데이터는 글로벌 기후변화 연구에도 이용될 예정이다. 뿐만 아니라 동 위성의 중·저위도 지역 모니터링은 북극 항로 개발에 일조하고 칭짱(青藏)고원 또는 제3극 지역 연구에 적극적인 역할을 할 전망이다.

블랙홀 강착 물리적 이미지의 "마지막 퍼즐 조각" 완료

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최근, 중국과기대학과 중국극지연구센터 공동 연구팀은 세계 최초로 퀘이사의 중심부가 초중량 블랙홀 강착원판에 부착 연료를 제공하는 쾌속 유입 가스를 성공적으로 관측함으로써 블랙홀 강착 물리적 이미지의 "마지막 퍼즐 조각"을 찾았다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 각 은하계의 중심에는 모두 초중량 블랙홀이 존재한다. 이들은 강한 중력으로 주변의 성간 물질을 고속 탐식하며 일부 물질은 탐식되기 전에 에너지로 전환되어 방출됨으로써 전체 은하계를 초월하는 밝기를 생성하고 우주 중 가장 밝은 천체인 퀘이사를 형성한다. 그러나 강착원판이 지속적으로 물질공급을 획득하는 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 지속적인 물질공급이 없으면 블랙홀은 주변 물질을 곧 소진하며 퀘이사는 더 이상 발광하지 못한다. 이러한 공급 과정은 발광 중심에서 멀리 떨어지어 천문망원경으로 관측하기 어렵다. 연구팀은 8개 퀘이사의 광 스펙트럼에서 수소, 헬륨 원소의 여기상태 흡수선을 관측하였다. 이 흡수선들은 우주 팽창으로 인한 적색편이 외에 도플러 효과 때문에 추가의 적색편이가 발생했다. 퀘이사 광 스펙트럼의 흡수선은 퀘이사와 지구 사이에 있는 물질에 의해 생성되었다. 흡수선의 도플러 적색편이는 물질이 우리로부터 멀리 떨어져있다는 것을 설명하며 이는 물질이 퀘이사 중심에 가깝다는 것을 의미한다. 도플러 적색편이 크기에 따라 계산한 물질 유입 속도는 5000km/s에 달했다. 추가 계산을 통해 블랙홀이 이러한 "탐식" 과정을 완성하는데 수백 년이 걸린다는 것을 알 수 있다. 이 기간동안 퀘이사도 지속적으로 반짝일 수 있다. 본 연구의 최대 혁신은 우주에서 흔히 보는 수소화 헬륨 원자가 특정 상태에서 생성한 적색편이 흡수선을 이용하고, 또한 물질 운동 속도 및 물질의 퀘이사까지의 거리 정보를 얻은 것이다.

중국과학원, FAST로 여러 번의 반복적 FRB 포획

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최근 중국과학원 국가천문대는 FAST를 사용해 빠른 전파 폭발(Fast Radio Burst, FRB)의 여러 번 반복적인 폭발을 최초로 탐측했다. 현재 FAST가 포획한 펄스 수효는 전세계적으로 가장 많다. 이번에 탐측한 "우주 깊은 곳의 신비한 전파신호"는 지구로부터 30억 광년 떨어진 곳에서 왔다. 연구팀은 이미 항공기·위성 등의 교란 요인을 배제하였고 후속 교차검증을 진행 중이다. 근년에 새로 발견된 천체인 FRB 기원에 대해 국제과학계는 지금까지 합리적인 해석을 내놓지 못하고 있다. 2007년에 최초로 FRB를 발견하여서부터 현재까지 전세계적으로 발표된 FRB는 100개도 안 된다. 일반적 상황에서 FRB는 한 번 출현한 후로 종적을 감춘다. 2015년에 미국은 아레시보(Arecibo) 망원경으로 빠른 전파 폭발 FRB121102의 반복적 폭발을 최초로 탐측했다. 관련 데이터 분석에 근거하면 해당 신호원은 지구로부터 약 30억 광년 떨어진 왜소은하(dwarf galaxy) 속에 위치한다. FAST는 이번에 실시간적 탐측단말을 사용해 빠른 전파 폭발 FRB121102을 탐측했다. 19빔 수신기에 설치된 FRB단말은 앞서 1개월 넘게 가동되었다. 2019년 8월 30일 오전에 FAST는 FRB121102에서 유래한 펄스를 실시간적으로 탐측했다. FAST 프로젝트팀은 그 즉시로 작업계획을 조정하여 FRB121102에 대한 후속 관측에 진력하였다. 그 후 연속 몇 일 동안 FAST는 FRB121102에서 유래한 펄스를 매일 수십 개씩 탐측했는데 특히 2019년 9월 3일에만 20여개를 탐측했다. FAST는 누계로 대량의 높은 신호대잡음비 펄스를 포획했다. 현재 FAST가 탐측한 펄스 수효는 전세계적으로 가장 많다. 관련 데이터에 대한 교차검증 및 심층적 처리는 아직도 진행 중이다. 현재 전세계적으로 탐측된 FRB는 매우 적다. 세계 최대 단일 구경 전파망원경 FAST의 19빔 수신기는 1.05~1.45GHz 주파수대를 포함하며 민감도가 매우 높아 반복 폭발 탐색에 적합하다. 탐측 샘플의 증가는 FRB 기원 및 물리적 메커니즘 연구에 중요한 촉진역할을 할 전망이다. FRB121102가 폭발 활성기에 있는데 비추어 FAST 프로젝트팀은 스케줄을 조정해 후속 관측을 추진할 계획이다. 이외 국제 기타 망원경설비의 참여도 기대된다. 중국과학원 국가천문대가 개발을 담당한 FRB 실시간 탐측단말은 고효율적 실시간 펄스 포획능력을 보유하기에 대부분 관측임무와 병행하여 진행할 수 있다. 향후 실시간 탐측단말은 새 FRB 발견, FRB 위치결정 정확도 향상, 전파 폭발에서 기인한 고정밀도 흡수선(absorption line) 실시간적 포획 등 면에서 중요한 역할을 할 전망이다.

세계 최초 유전자 편집 인체 조혈줄기세포 이식 성공

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세계에서 유일하게 완치된 에이즈 환자인 "베를린 환자"와 비슷한 치료 사례가 중국 베이징에서 나타났다. 해당 환자는 "베를린 환자"와 같은 혈액종양 및 에이즈에 걸렸으며 치료 방안도 동일한 조혈줄기세포 이식이다. 다른 점은 "베이징 환자"는 유전자 편집으로 CCR5 유전자가 돌연변이된 조혈줄기세포를 얻었고 "베를린 환자"의 돌연변이는 천연적인 것이다. 최근 베이징대학 생명과학학원 덩훙쿠이(邓宏魁), 해방군총병원 제5의학센터 천후(陈虎), 서우두(首都)의과대학 부속유안병원 우호우(吴昊) 등 공동연구팀은 세계 최초로 유전자 편집 방법으로 인체 조혈줄기세포에서 CCR5 유전자를 불활성화하고 편집한 줄기세포를 HIV 에이즈 바이러스 감염 및 급성림프모구백혈병 환자 체내에 이식하여 효과를 생성했다. 유전자 편집된 조혈줄기세포가 환자 체내에서 생존하고 "소수 외래자"에서 "절대 다수의 원주민"으로 번식하는 것은 에이즈 치료의 관건이다. 해당 연구 성과는 이제 시작이지만 유전자 편집된 조혈줄기세포가 인체 내에서 안전하고 생존 가능하며 "역경 번식"도 가능하다는 것이 입증되었다. 해당 성과는 "유전자 편집 기술의 장점을 이용하여 '베를린 환자'의 단점을 극복하다"라는 제목으로 "The New England Journal of Medicine"에 온라인으로 게재되었다. 초기에 연구팀은 유전자 편집된 줄기세포의 생존을 걱정했다. 줄기세포는 새 환경에 아주 취약하다. 환자는 골수 소멸을 진행했고 유전자 편집된 줄기세포가 체내에서 생존하지 못하면 환자는 생명의 위험이 있게 된다. 따라서 안전한 방법은 편집된 세포와 편집하지 않은 세포를 함께 투입하는 "겸유" 방식이다. 그러나 안전한 방법은 흔히 가장 효과적이지 못하다. 함께 투입된 편집하지 않은 세포는 편집된 세포가 최대 효과를 발휘하는 것을 방해할 수 있다. 예를 들면 상호 경쟁이다. 줄기세포의 경쟁적 증식 때문에 체내에서 검사된 유전자 편집 효율이 상대적으로 낮아졌다. 편집되지 않은 세포는 "민폐 팀원"이 되어 바이러스의 공격을 도울 수도 있다. 항에이즈약을 일시 정지할 때, 바이러스가 반동하는 것은 편집하지 않은 유전자의 CD4+T 세포(줄기세포 분화로 생김)가 바이러스의 복제와 반동을 위한 장소를 제공하기 때문일 수 있다. 어려운 선택 앞에서 환자의 안전과 임상 안전을 최대한 보장하기 위하여 연구팀은 안전한 방안을 선택하여 백혈병 치료를 보장했다. 최종 결과는 만족스러웠다. 함께 강적 HIV를 만났을 때, 유전자 편집된 T세포는 더 강한 저항력을 나타냈고 T세포 총수량 비율은 2.96%에서 1.5배 증가하여 4.39%에 달했다. CRISPR 유전자 편집 기술의 편집 효율과 표적이탈 효과는 줄곧 임상으로 나아가는 걸림돌이다. 조혈줄기세포는 대부분 "정지상태"에 있으며 편집이 어렵다. 기타 줄기세포에 적용하는 유전자 편집 방법은 조혈줄기세포에 소용없을 수 있다. 예를 들어, 유전자총 타겟팅 방법은 편집한 "가위"를 투입해도 전체 세포가 활성화되지 않는다면 "가위" 편집을 유도하지 못한다. 초기에 동물 실험으로 검증된 기술 시스템구축을 기반으로 연구팀은 다양한 탐구를 거쳐 유전자 편집이 가능한 조혈줄기세포의 전처리 배양 방법을 구축하여 조혈줄기세포를 활성화시켰을 뿐만 아니라 건조성, 안정 상태, 생존력 등을 파괴시키지 않았다. 연구팀은 8가지 "가위" 도입 형질감염 방법을 시도하고 편집 시간을 단축하고, 짝을 이룬 가이드 RNA를 도입하는 전략 등을 이용하여 편집 효율을 높이고 표적이탈 효과를 낮추는 방법을 탐구했다. 임상시험 환자 체내에서 이러한 기술 방안은 검증되었다. 연구 결과, 유전자 편집은 지속성, 표적 이탈성, 유효성 등 면에서 임상 검증이 가능했다. 약물복용 중단 4주 후,환자 체내 HIV 수량은 반등을 나타냈다. 유전자 편집 효율이 17.8%에 달했지만 편집하지 않은 세포와 동시에 투입되었기 때문에 체내의 편집 세포 비율은 5%-8%에 그쳤다. "베를린 환자"가 사용한 천연 CCR5 돌연변이 100%의 줄기세포와 비교하면, 5%-8%는 미미하지만 투입 전략이나 유전자 편집 효율 등 면에서 보면 모두 미래의 연구 방향이다. 앞으로 편집된 줄기세포만을 이식하여 편집된 줄기세포의 삽입율을 높이는 방법을 시도할 수 있다. 이번 연구에서 안정성, 가능성이 검증되었지만 유전자 편집 효율을 대폭 개선하여 유효성을 제고해야 한다. 최근 몇 년간 유전자 편집 기술은 지속적으로 발전하였으며 멀지 않아 더 안전하고 효율적인 유전자 편집 기술 시스템이 개발될 것이다. 기존의 방법을 최적화하는 것도 다방면의 효율을 제고할 수 있다. 향후 유전자 편집된 조혈줄기세포가 충분히 많은 돌연변이 T세포를 생성하여 HIV에 저항할 수 있을 때, 한차례의 치료로 지속적인 치료효과를 이룰 수 있다. CCR5를 표적으로 HIV와 T세포 결합을 예방하고 HIV의 인체 면역 시스템에 대한 파괴를 막는다는 점에서 유전자 편집 아기와 같은 치료 원리에 기반했지만 이번 연구는 치료성 임상시험이고 또한, 성인 신체의 체세포에서 진행하여 배아 유전자 편집의 윤리적 논란이 되지 않는다.

세계 최대 전뇌 뉴런 3차원 데이터베이스 구축

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최근, 둥난(東南)대학 뇌과학·지능기술연구원 및 둥난대학-앨런(Allen)연구소 뇌데이터연합센터는 VR 및 AI 기술 기반 오픈소스(Open source) 정밀 데이터 어노테이션(Annotation) 시스템 TeraVR을 개발하여 전뇌(Allbrain) 수준에서 세계 최대의 가장 정밀한 뉴런 3차원 구조를 재건(Rehabilitation)했다. 해당 데이터량은 세계 1위이다. 대뇌의 기본 구성단위인 뉴런은 대뇌의 구조 및 기능 연구에 매우 중요하다. 기존에 뉴런 어노테이션 및 이미징 기술의 제한성으로 획득한 이미지는 비교적 높은 잡음 및 신호 불균일 등 문제점이 존재했다. 뉴런 형태를 획득하려면 대뇌 세포의 희소성 어노테이션, 전뇌 이미징, 뇌영상 가시화, 뉴런 형태 재건 등이 필요하다. 그중 뇌영상 가시화 및 뉴런 형태 재건은 전체 프로세스의 병목문제이다. 하나의 완전한 생쥐 전뇌 이미지는 일반적으로 수십 개 테라바이트(Terabyte)에 달하며 원숭이 뇌의 전뇌 이미지는 페타바이트(Petabyte) 수량급에 달한다. 동시에 뇌뉴런의 매우 복잡한 토폴로지 구조도 뉴런 형태 재건 어려움을 더 증가시킨다. 상기 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 가상현실 및 인공지능 기술을 기반으로 오픈소스 반자동화 전뇌 뉴런 재건 시스템 TeraVR을 개발함으로써 초대규모 뇌 미세 이미지 데이터에서 대량의 전뇌 뉴런 형태 구조를 고효율적이고 정밀하게 생성했다. 또한 고해상도 현미경으로 생쥐 대뇌 절편을 촬영함과 아울러 생쥐 대뇌의 뉴런 구조를 추출하여 정밀한 3차원 이미지를 제작했다. 이로써 침지식 쌍안 입체영상을 이용하여 더욱 쉽게 대뇌 구조를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 그중 매우 복잡한 뉴런 수상돌기 및 축삭돌기의 3차원 투사 경로를 분석할 수 있다. 시스템의 미세 이미지 해상도 정밀도는 0.1~0.2μm에 달하며 일부 범용 소프트웨어에 존재하는 재건 결함, 과도한 재건, 토폴로지 오류 등 문제를 식별할 수 있다. 현재 해당 시스템으로 1,000여 개 완전한 뉴런 구조를 재건했다. 대뇌 뉴런 구조 이해는 파킨슨병, 알츠하이머병, 근위축성측색경화증 등 신경퇴행성질환 진단 및 치료에 참고 가치를 제공할 수 있다.

베이징대학 종양병원, 말기 점막 흑색종 일차 진료 새 방안 발표

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최근, 베이징대학 종양병원 궈쥔(郭軍) 연구팀은 면역요법과 혈관신생억제 표적약물을 결합한 말기 점막 흑색종(Mucosal melanoma, MM)의 일차 진료 새 방법을 발표했다. 해당 성과는 "Axitinib in Combination With Toripalimab, a Humanized Immunoglobulin G4 Monoclonal Antibody Against Programmed Cell Death-1, in Patients With Metastatic Mucosal Melanoma: AnOpen-Label Phase IB Trial"라는 제목으로 "J ClinOncol"에 게재됐다. 악성 흑색종은 상피조직에서 유래된 악성종양이다. 그 중에서 악성 점막 흑색종의 예후는 비교적 차할 뿐만 아니라 동방인의 발병률이 서방인에 비하여 뚜렷하게 높은 등 뚜렷한 지역 차이성이 있다. 중국의 악성 흑색종 환자에서 점막 흑색종 환자가 차지하는 비율은 22.6%이고 최근 발병률이 해마다 증가되는 추세를 보이며 연간 증가율은 약 5.8%이다. 서방인의 점막 흑색종 발병률이 낮기에 기존에 점막 흑색종에 관한 기초연구, 임상 스테이징(Staging), 치료 등은 표준이 없다. 궈쥔 연구팀은 점막 흑색종 유전체학, 약물내성 메커니즘 및 임상 변형에 초점을 맞추어 독창적인 연구를 수행함과 아울러 "J ClinOncol", "Nat Commun", "Clin Cancer Res" 등 저널에 관련 성과를 발표했다. 동시에 궈쥔 교수는 점막 흑색종 장절의 편집장 신분으로 "Cutaneous Melanoma" 편집에 참여했다. 연구팀은 Terepril(재조합 인간화 항PD-1단클론항체 주사액)과 엑시티닙(VEGFR-TKI, 혈관신생억제 티로신인산화효소 억제제)을 결합하여 아시아인 말기 점막 흑색종 일차 진료 과정에서의 안전성, 내성(Tolerance), 약물동력학 등 연구를 수행하여 Terepril와 엑시티닙의 결합 치료에 의한 점막 흑색종 환자의 객관적 반응률(Objective Response Rate, ORR)은 60.6%에 달할 수 있고 종양축소가 나타난 환자가 75.8%에 달함을 입증했다. 기존에 점막 흑색종 일차 진료 객관적 반응률은 20%를 초과하지 못했다. 동 연구는 말기 점막 흑색종을 치료하는 효율이 가장 높은 일차 진료 방안을 제공했는데 이는 점막 흑색종을 일차 진료하는 새 국제표준으로 될 전망이다.

"충칭 제조" 중국 최초 인공심장 출시 승인

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2019년 8월 26일, 충칭융런신(永仁心)의료기기유한회사(이하 융런신회사)가 개발한 "충칭 제조" 삽입식 좌심실 보조 시스템 EVAHEART I(이하 "융런신" 인공심장으로 약칭)이 중국국가식품약품감독관리국의 출시 허가를 받았다. 이는 중국에서 최초로 본격 출시된 삽입식 심실 보조 제품으로서 중국의 관련 산업이 외국과의 기술격차를 줄이고 중국 첨단의료기기 분야의 발전을 추진할 전망이다. 인공심장은 "의료기기의 왕관에 박힌 보석"으로 불리며 주로 생체 역학 수단을 이용하여 심장의 혈액 펌핑 기능을 부분 또는 전부 대체하여 환자의 혈액 순환을 유지한다. 또한 말기 또는 중증 심부전 환자의 효과적인 치료 수단이며 심장 이식을 대체하는 유일한 효과적 치료 수단이기도 하다. 심장병 중의 암이라고 불리는 심부전은 세계적으로 유일하게 증가 추세를 나타내는 심장 질환이다. 그러나 말기 심부전에 대한 내과 약물 치료는 장기적 효과가 좋지 않으며 심부전 환자의 5년 생존율은 35%에 그친다. 환자는 심장 이식이나 인공심장 설치를 통해서만 건강 회복이 가능하다. 인공심장은 이식 공급원이 부족한 문제를 극복함으로써 심부전 주요 치료 수단으로 부상하였다. 기존에 성숙된 인공심장 기술은 유럽, 미국 ,일본 등 선진국에서 독점하고 있으며 중국은 관련 제품을 출시하지 못했다. 융런신회사는 국제 첨단 수준을 보유한 경제적인 중국산 인공심장제품을 출시하기 위해 일본 기술을 인입하여 인공심장 국산화에 성공했다. 원심펌프 구조의 삽입식 좌심실 보조 시스템을 이용한 "융런신" 인공심장은 체내 소자와 체외 소자로 구성되었고 심장 좌심실에서 대동맥으로 통하는 바이패스를 구축하여 환자의 심장 펌핑 기능을 부분 대체하거나 보조하는 작용을 한다. 해당 인공심장은 일본의 여러 연구기관이 50여 년의 기초 연구와 20여 년의 연합설계를 통해 개발하였고 일본, 유럽의 판매 허가 및 미국의 IDE 임상시험 승인을 받았으며 200건 이상의 삽입 수술을 완성했다. "회전 속도가 낮고, 유량이 크며, 생리적 맥동 혈류 생성이 용이한" 물리적 특성을 가지며 생체 적합성이 뛰어나 인공심장 이식 후에 흔히 나타나는 합병증의 발생 위험을 현저히 낮출 수 있다. 기존 이식 환자 중, 수술 후 최장 생존 시간은 10년이 넘었다. 2018년 1월, 융런신회사는 중국의학과학원 푸와이(阜外)병원, 화중과기대학 퉁지(同济)의학학원 부속셰허(协和)병원, 푸젠(福建)의과대학 부속 셰허병원에서 연이어 임상시험을 시작했다. 2019년 8월까지, "융런신" 인공심장은 15건의 임상 삽입 수술을 실시했고, 환자들은 수술 후 순조롭게 건강을 회복했으며 장착 관련 심각한 합병증이 발생하지 않아 해외 학자들로부터 "세계 최고 임상 실적"으로 불리며 계획보다 앞당겨 출시를 승인받았다.

저온 플라즈마 기술을 이용한 항생제 처리 기술 성과

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최근, 중국과학원 허페이물질과학연구원 기술생물연구소 황칭(黄青) 연구팀은 안후이 화펑(华丰)친환경에너지절감과기유한회사와 공동으로 저온 플라즈마 폐수처리 기술을 개발함과 아울러 자체 개발한 의료폐수처리 설비로 오존을 생산하고 퀴놀론항생제를 비롯한 노르플록사신에 대한 분해처리를 했다. 또한, 표면강화라만분광법을 이용하여 노르플록사신에 대한 분해 효율과 메커니즘을 연구했다. 해당 성과는 "Chemosphere"에 발표되었다. 제약산업, 양식업 및 병원에서 배출되는 오폐수는 다양한 내화성 유기물 및 세균과 바이러스뿐만 아니라 대량의 항생제도 포함된다. 항생제를 포함한 이러한 폐수는 처리를 거치지 않고 기준미달 상태로 환경 수역에 배출되어 박테리아 내성 증가를 초래하고 생태평형에 심각한 영향을 미치며 또한, 인체 건강에 잠재적인 위협과 위험을 초래한다. 따라서 친환경적이고 고효율적인 새 항생제 폐수처리 기술과 설비 개발이 시급하다. 기존 연구팀은 저온 플라즈마 기술을 이용한 노르플록사신 분해처리 방안을 제한하였고 또한 처리 과정에서 오존의 분해효과가 뚜렷하다는 것을 발견했다. 오존의 노르플록사신 분해 메커니즘에 대한 심층적 연구 결과, 플라즈마가 생성한 오존은 노르플록사신을 신속 분해할 수 있고 또한 오존의 노르플록사신에 대산 산화분해는 주로 탈플루오르 반응, 카르복실기와 퀴놀론계 단열에서 나타났다. 저온 플라즈마를 이용한 오존 생산은 경제적이고 실용적이며 사용이 편리하고 친환경적이며 2차오염이 없고 실용성이 높다. 또한, 고효율적인 폐수처리 기술을 개발하고 플라즈마 의료폐수 처리기술의 응용과 발전을 추진함에 있어서 중요한 의미를 가진다. 해당 연구는 저온 플라즈마 기술의 환경 분야에서의 응용을 개척하였고 관련 기술과 설비도 시장 추진 단계에 있다.

중국과학원, 전기가수분해 수소제조 기술연구 진전 취득

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최근, 중국과학원 다롄화학물리연구소 기초국가중점실험실·태양에너지연구소 리찬(李灿) 연구팀이 개발한 차세대 전기가수분해 촉매가 쑤저우 징리 수소생산설비유한회사 및 커크렐-징리(쑤저우)수소에너지기술유한회사에서 제조한 규모화 알칼리성 전기가수분해 수소제조 파일럿 테스트 데모 엔지니어링 설비에서 안정적인 운행을 실현했다. 정격 작동조건에서의 장시간 운행 검증 결과, 전기가수분해 수소제조 전류 밀도가 4000A/m2로 안정적일 경우, 단위 수소제조 에너지소모는 4.1kWh/m3H2이하이고 에너지효율값은 86% 이상이며 전류밀도가 3000A/m2로 안정적일 경우, 단위 수소제조에너지소모는 4.0kWh/m3H2이하이고 에너지효율값은 88% 이상이다. 이는 현재 알려진 규모화 전기가수분해 수소제조의 최대효율이다. 태양에너지 등 재생에너지를 이용한 물분해에 의한 수소제조는 친환경 수소경제를 달성하는 유일한 방법이며 또한 미래 수소원료 전지의 수소에너지원 발전 방향이다. 태양에너지 등 재생에너지를 화학에너지로 전환하여 저장하는 핵심 단계는 가수분해(광가수분해와 전기가수분해)과정이다. 그중, 전기가수분해 수소제조 기술은 비교적 성숙되었고 이미 산업화 응용되었다. 그러나, 전기가수분해 수소제조 에너지 전환효율은 오랫동안 50-70% 사이에 머물고 있으며 전기가수분해 코스트가 고가로 행진하는 주요 원인이다. 해당 프로젝트의 진전은 수소에너지 분야의 발전과 수소에너지 경제 실현을 위하여 중요한 과학적 및 실제적 의의가 있다. 차세대 전기촉매는 1000M3/시간의 전기가수분해 수소제조 장비에 설치될 계획이다. 또한 란저우(兰州)신구 1000톤급 태양광연료 산업화 시범 엔지니어링 프로젝트에 응용되어 대규모 산업 전기가수분해 수소제조 설비의 에너지소모를 15% 이상 낮추어 전기가수분해 수소제조 산업의 에너지효율을 향상시킬 예정이다. 또한 생산원가를 대폭 낮추어 대규모 전기가수분해 산업화 달성을 추진할 전망이다.

중국과학원, 보하이 갈조 대발생 유래종 규명

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최근, 중국과학원 해양연구소 탕잉중(唐贏中) 연구팀은 보하이(渤海) 갈조(Brown water) 유발종에 대한 역사추적 및 생물지리학적 연구를 통해 갈조는 "외래 침입종에 의하여 유발되었다"는 가설을 뒤집었다. 해당 성과는 "Molecular Ecology"에 온라인으로 게재됐다. 갈조는 수산양식 및 생태계에 막대한 파괴를 초래하는 유해조류이다. 하지만 그 형성 원인에 대한 관점은 일치하지 않다. 해당 연구는 2009년 후 중국 보하이 해역 패류 양식업 및 생태계에 막대한 손실을 초래한 갈조에 초점을 맞추었으며 또한 최초로 갈조 유발종 유레오코커스 아노파게페렌스(Aureococcusanophagefferens)의 생활사 중에 휴면체 단계가 존재함과 아울러 해양 퇴적물에서 장기간 생존함을 입증했다. 갈조는 주로 2~3종 미세조류에 의해 유발된다. 그 중에서 갈조를 가장 흔히 유발하고 유발 규모가 가장 크며 또한 갈조 대발생에 가장 관심사로 떠오르고 있는 조류는 유레오코커스 아노파게페렌스이다. 중국은 미국, 남아프리카 다음으로 3번째 갈조 대발생 국가이다. 2009년 후 친황다오(秦皇島) 해역에서 여러 차례 발생한 갈조는 당지 수산양식업에 막대한 경제적 손실을 초래함과 아울러 생태계에 중대한 파괴성 영향을 초래했다. 연구팀은 유레오코커스 아노파게페렌스는 보하이 해역에서 적어도 1,500년 동안 생존했으며 또한 중국 남쪽의 남사군도로부터 북쪽의 베이다이허(北戴河), 단둥(丹東) 및 중국 4대 해역의 연안 양식 지역에 이르는 수심 3,450m 외해(Open sea)에 광범위하게 분포되어 있음을 발견했다. 해당 결과는 유레오코커스 아노파게페렌스가 북반구에서의 분포 기록을 남쪽으로 적어도 1,700Km 확장시켰다. 이로써 보하이 갈조는 외래 침입종에 의하여 유발된다는 가설을 뒤집었다. 유레오코커스 아노파게페렌스는 전세계 많은 해양에 광범위하게 분포된 종으로서 휴면체 생성은 해당 종의 전세계 분포 및 갈조 연별 재발생을 초래하는 주요 원인으로 추정된다. 해당 결과는 갈조 유발종 유레오코커스 아노파게페렌스의 "종의 유래" 및 전세계 지리적 본포 패턴을 인식하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 갈조 대발생 원인을 심층적으로 연구하는데 중요한 과학적 근거를 제공했다.

2차 재열 발전기술 분야에서 세계선도

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최근, 중국국가에너지투자그룹 쑤쳰(宿遷)회사(이하 쑤쳰회사로 약칭)의 660MW 초초임계 2차 재열(Reheat) 발전장치 프로젝트 점화에 성공했다. 2019년 8월 28일까지 해당 프로젝트의 2대 발전장치의 발전량은 22.67억 kWh에 달했다. 해당 발전장치의 발전 석탄 소비량은 ≤256g/kWh, 발전효율은 ≥48%이고 환경지표는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 프로젝트의 2차 재열 탑식 보일러, 고효율 증기터빈 및 맞춤형 부속 설비, 지능형 발전 제어 시스템, 선진적인 친환경 설비 등 핵심 기술은 독자적 활용을 구현했다. 이는 중국의 고효율 유연성 2차 재열 발전 기술이 세계 앞자리를 차지했음을 의미한다. 석탄 생산/소비 및 전력(Electric power) 수요가 세계 1위인 중국의 화력발전 기술은 21세기에 들어서서 지속적인 발전을 거듭했다. 2004년, 중국은 60만 kW 초임계 발전소를 구축했고 2006년, 100만 kW 초초임계 발전소를 구축했으며 2015년, 100만 kW 초초임계 2차 재열 발전소를 구축했다. 예측에 의하면 2030년 및 2050년에 이르러 중국의 총 1차 에너지 소비에서 석탄이 차지하는 비율은 50% 및 40%로 하강될 전망이다. 다시 말해서 중국의 에너지 구조에서 석탄의 지배적 위치는 변화지 않으며 화력발전 기술은 중국에서 도태되지 않을 전망이다. 초초임계 발전장치는 더욱 높은 증기 온도 및 압력을 기반으로 하기에 준임계 열효율이 5%~7% 향상되고 2차 재열 기술을 적용한 후 열효율을 2%~3% 더한층 향상시킬 수 있다. 더욱 높은 열효율은 더욱 적은 석탄 소비 및 오염물질 배출을 의미한다. 2015년, 중국궈뎬(國電)그룹회사 장쑤(江蘇)타이저우(泰州)발전소 2단계 2차 재열 시범 프로젝트가 생산에 들어감으로써 전력공급 석탄소비가 세계 동일 유형 장치에 비하여 13.7g/kWh 감소되어 중국이 해당 분야에서 선도적 지위를 차지하는데 기반을 마련했다. 하지만 2차 재열 발전장치는 비교적 큰 부하 변화 범위에서 경제적 운행 보장 및 피크기 조절 능력이 부족한 문제점이 존재한다. 따라서 "고효율 유연성 2차 재열 발전장치 개발 및 프로젝트 시범"은 중국 "13차 5개년" 계획의 중점 연구개발 계획으로 선정됐다. 2016년 10월부터 궈뎬(國電)그룹은 화베이(華北)전력대학, 화둥(華東)전력설계원, 상하이전기(電氣)그룹 등 14개 기관과 공동으로 평균 연령이 39세인 148명으로 구성된 연구팀을 구축하여 2차 재열 발전 기술 연구를 수행했다. "유연성" 및 "고효율"을 구현하려면 보일러, 증기터빈, 시스템 설계 및 제어 시스템 최적화 등 핵심 기술을 파악해야 한다. 기존의 재료로 보일러 출구 증기 파라미터의 32.24MPa(a)/605℃/623℃/623℃ 도달은 한계점이다. 쑤쳰회사는 탑식 보일러를 채택함과 아울러 보일러 핵심 기술 파악을 통해 전열면(Heating surface) 배치를 최적화하고 온도 편차를 감소시킴으로써 광범위 부하 범위에서의 장기간 설계 파라미터 도달을 구현했다. 연구팀은 또한 2차 재열 발전장치의 고효율 열공급 핵심 기술을 파악했고 최초로 화력발전 분야에서 "증기-전기 더블드라이브(Steam-electric double drive)" 흡출 송풍기(Induced draft fan) 고효율 유연성 열공급 기술을 응용함으로써 대형 발전장치에 작은 보일러로 열공급하는데 양질적인 방안을 제공했다. 이외에도 연구팀은 2차 재열 발전장치의 불충분한 온도 조절 등 핵심 기술을 파악함과 아울러 역가열, 진공, 바이패스(Bypass), 주파수 변조 등 일련의 혁신 기술을 통합하여 최적화함으로써 발전장치의 쾌속 구동/정지, 심층적 피크기 조절, 고효율 유연성 등 핵심 지표를 구현했다. 쑤쳰회사의 고효율 유연성 2차 재열 기술은 완전한 자체 지식재산권을 보유하고 있으며 세계 선진 수준에 도달했다. 또한 정보 및 제어 시스템의 완전한 독자적 활용을 구현함과 아울러 최초로 석탄화력발전 분야에 지능형 발전 기술을 적용함으로써 2대의 66만 kW 발전장치의 운전을 제어하는데 10명의 인력이면 충분하고 전력망의 실시간 피크기 조절 요구도 만족시킬 수 있다. 연구팀은 지능형 발전 운행 제어 시스템(ICS) 및 지능형 발전 공공서비스 시스템(IMS)의 구조 및 기본 기능에 대한 심층적 개발 및 검증을 기반으로 4대 지능형 제어, 6대 지능형 관리 및 7대 지능형 센터를 구축하여 ICS 시스템이 운영된 후 해당 프로젝트의 고효율 운행, 선진적 제어, 지능형 모니터링 및 진단에 유력한 지원을 제공함으로써 발전장치 성능의 충분한 발휘를 보장하는 조건에서 일상 조작 작업량을 60%이상 효과적으로 감소시켰다. 현재 중국의 화력발전 설계, 장비 제조, 운영 유지보수 관리 등 기술은 세계 선진수준에 도달했으며 친환경 오염물질 배출도 세계 최고 수준에 도달함으로써 연도가스 탈황/탈질/먼지 초저배출, 탈황폐수 무배출, 고체폐기물 100% 재활용을 구현했다.

고속자기부상열차의 "동력 심장" 핵심 기술 파악

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최근, 중국 중처주저우(中车株洲)유한회사(CCRC)가 참여한 중국 "13차 5개년 계획" 중점개발 계획 "고속자기부상 교통시스템 핵심기술 연구" 서브 프로젝트가 이미 긴고정자(지상 1차, long stator) 직선형전동기와 서스펜션 전자석 독자 개발에 성공하여 시속 600km 자기부상열차 시제품에 응용되어 양호한 운행상태를 보였다. 이는 중국의 고속자기부상열차 핵심기술이 세계 선두를 달리고 있음을 의미한다. 고속자기부상열차와 중저속자기부상열차는 전기구동에 대한 요구가 서로 다르다. 중저속자기부상열차는 주로 접촉망을 통해 전력을 공급받는데 이런 전력공급 방식은 고출력 고속자기부상열차의 안정적인 전력 공급을 보장할 수 없다. 또한, 열차가 지면에 부착하여 고속 "비행"하기 때문에 열차 자체의 중량을 최대한 감소시켜야 한다. 연구팀은 긴고정자 직선형전동기를 개발하여 중저속자기부상열차의 차상 1차(short stator) 직선형전동기의 "고정자"를 차체에서 궤도로 옮겨 지상 전력공급 설비가 직접 전력을 공급하게 함으로써 안정적인 전력공급을 확보했다. 고출력 인버터도 열차에서 지상으로 옮겨 열차의 자체 중량을 대폭 감소시켰다. 해당 긴고정자 직선형전동기는 고속 운행하는 열차의 고출력 요구를 충족시킴과 아울러 열차에 부상력과 견인력을 제공한다. 중저속자기부상의 차상 1차 구조와 비교해 긴고정자는 동시 제어 방식을 이용하여 전동기 효율을 20 % 향상시키고, 전동기 전압을 10 % 이상 향상시켰다. CRRC는 긴고정자 직선형전동기, 부상, 가이드 및 브레이크 전자석 기술과 엔지니어링 제조 연구에 초점을 맞추고 3년간 독자 개발을 진행하여 3D 시뮬레이션플랫폼, 유한요소시뮬레이션플랫폼, 온도장 시뮬레이션 플랫폼, 시험 검증, 공정 검증 등 분야에서 단계적 성과를 이루었고 고속자기부상열차 전동기 구동의 핵심 기술을 보유했다.

둥난대학, 신형 인공근육 재료 개발

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최근, 둥난(東南)대학 화학화공학원 양훙(楊洪) 연구팀은 강한 역학적 성능을 보유한 폴리우레탄/폴리아크릴산에스테르 상호침투 네트워크 구조의 액정 엘라스토머(Elastomer) 재료를 개발했다. 이로써 해당 분야에서 40년 동안 지속된 연구의 걸림돌을 해결하여 인공근육 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 해당 연구성과는 "Journal of the American Chemical Society, JACS"에 게재됐다. 인공근육은 신형 지능적 형상기억재료로서 재료 내부 구조의 변화에 따라 인장/수축, 굽힘, 조임 또는 팽창된다. 일반적으로 사용하는 인공근육 재료에는 압전 세라믹, 형상기억합금, 전기활성 중합체 등이 포함된다. 액정 엘라스토머는 전형적인 양방향 형상기억 재료로서 큰 형태 변화, 가역적 형태 변화 등 장점을 보유하고 있으며 생체공학적 소자, 소프트 로봇 등 분야에서 좋은 응용 전망이 있다. 하지만 40년 동안의 연구를 경과한 후에도 액정 엘라스토머는 실험실 연구 단계이며 산업화 응용을 달성하지 못했다. 액정 엘라스토머는 40년 전에 개발했으며 20년 전, 액정 엘라스토머를 우수한 인공근육 재료로 사용할 수 있음을 인식했다. 액정 엘라스토머는 가장 양호한 양방향 형상기억 재료로서 형태 변화량이 크기에 100cm에서 20cm로 압축시킬 수 있을 뿐만 아니라 형태 변화 속도도 빨라 압전 세라믹 재료보다 더욱 큰 장점을 갖는다. 하지만 액정 엘라스토머는 형태변화 과정에서 생성되는 응력이 매우 작기에 실제 응용 환경에서의 역학적 성능 요구를 만족시킬 수 없다. 응력의 크기에 영향을 미치는 주요 지수(Index)는 탄성계수의 크기이다. 기존에 국내외에서 연구한 액정 엘라스토머의 형태변화 탄성계수는 2 MPa도 되지 않는다. 액정 엘라스토머를 인공근육에 사용하려면 형태변화 탄성계수가 적어도 10 MPa에 도달해야 한다. 연구팀은 폴리우레탄 액정 엘라스토머와 폴리아크릴산에스테르 액정 열경화성 고체의 소분자 전구체 성분을 혼합함과 아울러 동기적 가교화 기술을 통해 폴리우레탄/폴리아크릴산에스테르 상호침투 네트워크 구조의 액정 엘라스토머(Elastomer) 재료를 개발했다. 해당 재료의 변형률, 응력, 탄성계수는 각각 46 %, 2.53 MPa, 10.4 MPa에 도달하여 최초로 액정 엘라스토머 기반 인공근육의 역학적 성능 요구를 만족함으로써 해당 분야의 기술적 어려움을 해결했다.

중미 공동연구팀, 99.995%의 입사광 흡수 가능한 역대 가장 검은색 재료 개발

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최근, 상하이교통대학 재료과학공학학원 추이커항(崔可航)은 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 항공우주공학과 브라이언 워들(Brian Wardle)과 공동으로 99.995%의 입사광을 흡수할 수 있는 역대 가장 검은색 재료를 개발했다. 탄소나노튜브(CNT) 어레이로 제조한 해당 신소재는 기존의 가장 검은색 재료에 비하여 10배 더 검다. 해당 신소재는 예술 표현력 외에도 렌즈 후드(Lens hood)에 이용되어 불필요한 글레어(Glare)를 감소시켜 우주망원경으로 외계행성을 발견하는데 도움이 되는 등 실용적 가치를 보유하고 있다. 연구팀은 CNT를 알루미늄 등 전기전도재료에서 성장시켜 전기전도재료의 전기학적 및 열학적 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하는 과정에서 해당 신소재를 우연하게 발견했다. CNT를 알루미늄에서 성장시키는 과정에서 알루미늄이 공기 속에 노출될 경우 산화되어 산화물이 알루미늄을 피복하기에 알루미늄의 전기전도 및 가열 성능을 개선시킬 수 없다. 연구팀은 알루미늄 산화층을 제거할 수 있는 방법을 찾기 시작하였다. 결과, 염(염화나트륨)으로 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견했다. 그 당시 브라이언 워들 연구팀은 CNT를 염 및 기타 제품(탄산수소나트륨, 세척제 등)에서 성장시키려고 시도했다. 염으로 테스트하는 과정에서 추이커항은 염소이온이 알루미늄 표면에 침입함과 아울러 알루미늄 산화층을 용해시키는 현상에 관심을 가졌다. 추이커항은 알루미늄박을 염수(Saline water)에 침지시킬 경우 알루미늄 산화층을 제거할 수 있음을 발견했다. 추이커항은 먼저 알루미늄박을 무산소 환경에 전이시켜 알루미늄박의 재산화(Reoxidation)를 방지했으며 최후로 에칭(Etching)된 알루미늄을 반응기에 넣음과 아울러 화학기상성장법(CVD)을 통해 CNT를 성장시켰다. 연구 결과, 산화층을 제거한 후 더욱 낮은 온도(산화층을 제거하지 않을 경우 약 100℃ 조건이 요구됨) 조건에서 CNT를 알루미늄에 성장시킬 수 있으며 또한 CNT와 알루미늄의 "결합"으로 재료의 열학적 및 전기학적 성능을 뚜렷하게 향상시킬 수 있음을 발견했다. 해당 신소재의 광학 반사율을 측정한 결과, 해당 재료의 다양한 부위는 입사광을 99.995% 이상 흡수할 수 있다. 해당 신소재의 뛰어난 입사광 흡수 기능에 대하여 완전히 해석할 수 없지만 해당 기능은 조금 검은색을 띠는 에칭된 알루미늄과 CNT의 상호결합과 관련될 것으로 추정된다. CNT는 대부분 입사광을 흡수함과 아울러 열로 전환시키기에 반사되는 광선이 아주 적다. 따라서 CNT는 특별한 검은색을 띤다. 연구팀은 심층적인 연구를 수행하여 해당 신소재의 뛰어난 입사광 흡수 기능을 규명할 예정이다.

창장을 가로지르는 최대너비 대교 주공사 완공

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2019년 9월 9일, 중철대교국(MBEC)이 담당한 우한칭산(青山)창장대교 주공사가 완공되었다. 시공팀은 대교 구축 과정에 일련의 시공 기술적 어려움을 해결함과 아울러 다수 세계 신기록을 세웠다. 전체 길이가 7,548m인 칭산창장대교의 주교량(Main Bridge)은 우한시 최대 부두[우강와이마오(武鋼外貿)부두]와 우한시 최대 정박지[왕자우(王家屋)정박지] 사이에 위치해 있다. 대교는 양방향 8차선(이외 2개 예비차선 확보) 고속도로이며 설계시속은 100km이다. 대교의 주경간은 938m로 현재 세계 최대 경간의 완전 부양지지 시스템(fully floating system) 사장교이다. 교량면의 너비는 48m로 현재 창장을 가로지르는 가장 넓은 교량이다. 주탑 높이는 279.5m로 현재 세계 최대 높이의 "A"자형 탑이다. 대교의 하중이 무겁고 교통량이 많으며 항로 폭이 넓은 등 요구를 충족시키기 위해 완전 부양지지 구조 즉, 주교량 철골보에 하부 가로보 지지가 없고 사장케이블에 의존하며 인장력이 완전 플로팅 상태의 구조로 설계했다. 이러한 설계는 대교로 하여금 지진 등 환경에서 그네 뛰듯이 흔들리게 함으로써 운영상태 및 온도차, 강풍, 지진 등 외력의 작용 하에서 변위성 변형에 훌륭하게 적응할 수 있고 구조적 공진을 회피함으로써 내진, 에너지 소산의 역할을 발휘한다. 시공팀은 최초로 대구경 가변단면 회전굴착 딥워터 기초파기 시공 공법을 개발해 딥워터 기초의 천공효율을 대폭 향상시켰다. 또한 최초로 "쇄구강관말뚝+지오텍백(Geotech-bag)" 물다짐 공법(hydraulic filling method)을 개발해 8,400㎡의 아일랜드를 구축했으며 주기둥 기초의 수중시공을 육상시공으로 바꿈으로써 시공효율을 향상시킴과 아울러 기초파기 시공의 안전위험을 낮추었다. 뿐만 아니라 세계 최대 아령형 이중벽 철제 코퍼댐(Cofferdam) 진수, 부유운반, 정밀 위치결정, 하강착상 등 일련의 시공 기술적 어려움을 극복했으며 2개월 동안에 코퍼댐 제조·진수를 완료한 시공기록을 세움으로써 동일 유형 시공에 소중한 경험을 쌓았다. 이외, 철골보 설치작업에서 교량 캔틸레버가 크고 빔 폭이 넓어 자연 온도·비바람의 영향에 민감한 등 불리한 요인이 가져다주는 어려움을 극복해 설계요구의 모든 최고치를 달성함과 아울러 대교의 제로 오차 연결을 완성했다. 칭산창장대교는 우한시의 11번째 창장대교이자 제4외곽순환도로가 창장을 가로지르는 통제성 프로젝트이다. 현재 대교는 후속 아스팔트 포장 및 조명시공 단계에 들어섰다.

난징대학, 광의 파동-입자 이중성 중첩 제어 구현

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최근, 난징(南京)대학 물리학원 마샤오쑹(馬小松) 연구팀은 최초로 단일광자 파동성 및 입자성의 비국소성 영역 중첩 제어를 시연했다. 해당 성과는 "Nature" 자매지인 "Nature Photonics"에 게재됐다. 광(Light)이 입자인지 아니면 파동인지에 관한 논쟁은 여러 세기를 경과했다. 20세기 양자물리학 구축 과정에서 광의 파동-입자 이중성 즉 광은 입자인 동시에 파동이며 파동과 입자의 중첩상태임을 발견했다. 따라서 어떠한 제어 수단을 통해 광자가 요구에 따라 오직 입자성 또는 파동성만 나타내게 할 수 없겠는지에 대한 문제가 제안됐다. 물리학자 존 휠러(John Wheeler)가 제안한 지연 선택실험에 의하면 1명의 외부 관측자는 실험장치 중의 1개 광자 소자에 대한 제어를 통해 단일광자가 파동성 또는 입자성을 나타내도록 능동적으로 선택할 수 있으며 더 나아가 광자가 실험장치에 진입한 후 선택하여도 선택은 여전히 효과적이다. 연구팀은 휠러의 지연 선택실험을 기반으로 새로운 비국소성 영역 양자 지연 선택실험을 제안 및 시연했다. 실험 과정에서 연구팀은 다른 1쌍의 얽힘 광자를 제어 유닛으로 함과 아울러 해당 얽힘 광자를 이용하여 파동성 및 입자성 사이에서 전환되는 실험 주체 광자를 제어했다. 엄격한 비국소성 영역 양자 제어를 구현하기 위해 제어 유닛을 실험 주체 유닛과 멀리 떨어져 있게 했다. 다시 말해서 "아이슈타인 비국소성" 조건을 만족시켰다. "아이슈타인 비국소성" 조건을 구현하기 위해 공간 및 시간상에서 실험기기에 대한 정밀 제어가 필요하다. 연구팀은 광학기기를 캠퍼스 내의 2개 실험실에 배치했으며 광신호 및 전기신호의 시계열에 대하여 정밀하게 설치했다. 동 실험은 광은 파동성 또는 입자성의 양자중첩 상태로 존재할 수 있음을 입증함과 아울러 해당 파동-입자의 양자중첩 상태에 대한 제어 가능성을 입증했다. 이는 양자광학 및 양자정보처리 연구에 새 방법을 제공했다.

안후이광학정밀기계연구소, 최초로 대기 난류 원위치 탐측 실험 완료

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 안후이(安徽)광학정밀기계연구소 대기과학연구센터(이하 대기과학연구센터로 약칭) 우샤오칭(吳曉慶)/뤄타오(羅濤) 연구팀은 칭하이성(青海省) 다차이단(大柴旦) 지역, 시짱자치구(西藏自治區) 라싸시(拉薩市) 등 지역에서 대기 난류 원위치 탐측 및 난류 대기 관측 등 실험을 동시에 수행하여 성공했다. 대기 중의 에너지와 물질교환, 오염물질 수송 및 확산은 대기 난류와 밀접히 관련된다. 기존에 주로 경계층 및 대류층의 난류 특히 동력 난류를 연구했으며 열력 난류에 관한 연구는 적었다. 그리고 근공간 탐측 수단의 결핍 특히 원위치 탐측 수단의 부족으로 근공간 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향에 관한 연구는 매우 부족했다. 이번 비행 실험은 경항공기(Aerostat) 플랫폼에서 최초로 다양한 고도 통제 비행 및 광범위 우회 비행을 시행했다. 총 비행시간은 13시간 8분, 최대 비행 고도는 21,625m이며 21~22Km 고도 수평비행 시간은 10시간 16분, 16~17Km 고도 수평비행 시간은 45분이다. 비행 플랫폼 및 대기 난류 원위치 측정 과학 하중은 계획에 따라 전체 비행 및 실험 항목을 완료했으며 데이터 기록이 완정한바 기대 목표에 도달했다. 이로써 제1단계 실험은 원만하게 성공했다. "훙후 특별프로젝트" 실험에서 대기광학연구센터가 자체로 개발한 근공간 대기 난류 원위치 탐측 설비는 경항공기 플랫폼을 이용함과 아울러 고정밀도 미온 어레이를 통해 성층권의 열력 난류강도, 난류 스펙트럼 및 대기안정도 등 데이터를 측정하여 근공간 대기 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향을 연구함으로써 근공간 예보 모델의 개선 등에 핵심 데이터 지원 및 과학적 근거를 제공할 전망이다. 이번 실험은 "훙후 특별프로젝트" 2019년 칭짱고원(青藏高原) 지역 첫 대형 실험이며 향후 2차 비행 실험 및 대지 관측 실험을 수행할 계획이다.

윈난천문대, 태양 필라멘트 물질 유래의 물리적 메커니즘 규명

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최근, 중국과학원 윈난(雲南)천문대 푸셴후(撫仙湖)태양관측·연구기지 연구팀은 1m 새로운 진공식 태양망원경(1m New Vacuum Solar Telescope, NVST)의 높은 시공간적 해상도 관측 데이터를 이용해 태양물질 유래 및 전송 과정의 중요한 물리적 메커니즘을 규명했다. 해당 성과는 "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS"에 게재됐다. 태양 필라멘트(Solar filament)는 태양 주변 홍염(Prominence)이 태양 표면에 투영되어 형성된 암흑색 가닥이다. 일부 암흑색 가닥은 극성이 상반되는 국지 자기장의 경계선이며 일정한 정도에서 태양 자기장의 복잡한 구조를 반영한다. 해당 암흑색 가닥의 생성, 발달 및 소실은 일정한 규칙성을 갖고 있지만 단시간 내에 돌발적으로 활성화될 가능성도 있고 더 나아가 돌발적으로 소실될 수도 있다. 태양 필라멘트는 태양 표면에서 가장 선명한 태양활동 현상이다. 태양 암흑색 가닥의 형성 과정은 주로 자기장 구조의 형성 과정 및 암흑색 가닥 물질 유래 등 2개 방면으로 나눌 수 있다. 자기장 구조 형성에 대하여 이미 수많은 연구를 수행했지만 암흑색 가닥 물질 유래에 관한 연구는 비교적 적다. 특히 높은 시공간적 해상도 망원경을 이용한 관측 연구는 매우 적다. 이는 주로 암흑색 가닥 형성 과정이 비교적 느리고 완정한 암흑색 가닥 물질 주입을 관측하기 매우 어렵기 때문이다. 연구팀은 태양 암흑색 가닥 형성 활발 지역 NOAA 11903 중 모 1개 암흑색 가닥의 완정한 형성 과정을 연구했다. 결과, 저온 물질은 암흑색 가닥 남쪽 부분 정점(Station point)에서 분출되어 암흑색 가닥에 주입됨과 아울러 분출 위치에 자기장이 형성되며 또한 저온 분출은 저온 물질을 암흑색 가닥 높이로 끌어올림과 아울러 암흑색 가닥에 물질을 제공함을 발견했다. 이로부터 태양 저층의 소규모 폭발은 암흑색 가닥의 형성에 충분한 물질을 제공함을 추정할 수 있다. 연구팀은 또한 플럭스 발생(Flux emergence)에서 생성된 에너지와 저온 물질의 상승에 수요되는 에너지의 추산 비교를 통해 플럭스 발생에서 생성된 에너지는 물질의 상승에 수요되는 에너지를 제공할 수 있다는 결론을 얻었다.

24비트 고성능 초전도 양자프로세서 개발

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀과 중국과학원 물리연구소 판헝(範桁) 연구팀은 공동으로 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 최초로 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어를 구현함으로써 양자컴퓨터 개발에서 중요한 성과를 얻었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 20세기 80년대에 노벨상 수상자 Richard Phillips Feynman 등은 양자중첩 및 양자얽힘 등 2개 기이한 양자특성에 기반한 "양자컴퓨팅" 구축을 제안했다. 제어 가능한 큐비트 수가 증가함에 따라 양자컴퓨팅의 연산능력은 기하급수적으로 상승하면서 전통 전자컴퓨터를 훨씬 초과하는 성능을 달성할 수 있다. 현재 학계는 다양한 기술로드맵으로 양자컴퓨팅을 연구하고 있다. 그중 초전도 양자컴퓨팅은 실용화 가능성이 가장 높은 방안이다. 중국과기대 판젠웨이, 주샤오보(朱曉波), 펑청즈(彭承志) 등 학자는 초전도 양자컴퓨팅 연구에서 일련의 중요한 성과를 얻었다. 2019년만 기존에 달성한 10개 초전도 큐비트 얽힘 기록을 갱신함과 아울러 "양자 랜덤워크(random walk)"도 획기적으로 구현했다. 최근 판젠웨이 연구팀은 중국과학원 물리연구소 판헝 연구팀과 공동으로 시스템 연결성, 판독 효율, 크로스토크 조절 및 정밀도 등 문제와 관련해 반복적인 실험을 통해 칩 구조를 1차원에서 준2차원으로 확장시키는데 성공했다. 또한 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 "Bose-Hubbard" 사다리 모델 다체 양자시스템에 대한 시뮬레이션을 완성했을 뿐만 아니라 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어도 구현했다. 해당 연구는 초전도 양자칩을 양자시뮬레이션플랫폼으로 선정함에 있어 강한 응용잠재력을 보여주었고, 다중 큐비트시스템을 이용한 다체 물리시스템 연구에 기반을 마련했다.