1、背景和意義
1.1 製造歷史發展的必然選擇
縱觀歷史發展和國家興衰的規律，每一次時代變革都離不開技術的創新，而近現代大國的崛起更離不開工業技術的變革。在工業生產過程中，「製造」是核心——製造出滿足人們物質和精神需求的產品，製造是維護國家主權、維持國家繁榮昌盛的「國之重器」。
所謂「製造」，是把原材料加工成滿足使用者要求的產品的全工藝過程，其重點在於獲得足夠的性能指標以滿足產品的最終使用需求。唯有把握製造技術的發展規律，引領未來製造技術的發展趨勢，才能在新一輪的全方位大國競爭中贏得先發優勢。
製造的發展歷程貫穿了人類誕生至今的歷史，從製造的精度以及製造內在規律發展的角度來看，製造的發展經歷了以下三個階段：
（1）製造Ⅰ：以經驗和技藝為基礎的手工成形過程(如石器、青銅、鐵器時代），製造精度處於毫米級。
（2）製造Ⅱ：基於機器的精度實現可控制造，製造精度（去除、轉移、增加的材料尺度）從毫米級提高至微米級甚至納米級。
（3）製造Ⅲ：製造對象與過程直接作用於原子，材料在原子量級去除、轉移或增加，實現原子與近原子尺度製造(atomic and close-to-atomic scale manufacturing，ACSM)。
製造的本質是加工，當加工的尺度從微米、納米向著原子尺度邁進時，原子尺度下的材料去除、遷移或增加等現象已無法通過經典理論進行解釋。製造技術將從以經典力學、宏觀統計分析和工程經驗為主要特徵的現代製造技術，走向以量子理論為代表的多學科綜合交叉集成的下一代製造技術
製造Ⅲ區別於製造Ⅱ的本質屬性是基礎理論的不同，即以量子理論為核心基礎。製造Ⅲ時代的到來已經是歷史的必然選擇，提前布局開展製造Ⅲ的研究與探索，是實現中國「製造大國—製造強國—未來製造」轉型的戰略抉擇。
1.2 國家科技競爭的緊迫需求
製造是社會和經濟、生產力發展的基礎。當前有一種不完整的認識，認為有了晶片、網絡、軟體就有了一切。誠然，它們是重要的，但基礎仍然是製造。
首先，晶片是製造的產物，高端晶片依賴於高端製造，核心之一是高精度光刻機。其次，晶片、網絡、軟體僅僅解決信息（包括數據）的處理（包括計算）、存儲、傳輸的問題，而信息的獲取首先需要依賴於傳感器和各種測量裝置。
沒有精確的測量，人工智慧，包括精確導航、飛彈和衛星的發射、命中等都是一句空話。最後，需要有精確執行機構完成機械裝置所要求的精準運動。目前，面向多種典型器件和重大需求時，傳統製造技術與工藝、加工設備與機器以及基礎支撐理論發展等已面臨「瓶頸」，將加工對象視為連續性材料的製造思想也面臨著嚴峻的挑戰和無法逾越的鴻溝。
高精度製造在科技和生產力發展中具有關鍵作用。以晶片為例，我國不能製造的是高端晶片，即線寬為幾納米的晶片，「卡脖子」的是高精度光刻機。中國被「卡脖子」的主要是高端產品，包括高端數控工具機、軸承、飛機發動機等等，而「高端」首先體現在精度上。為實現高精度就需要納米、乃至原子及近原子尺度的製造與運動控制技術。
科技前沿研究的推進已越來越倚重於多學科交叉發展，並進入了快速變革的時代。ACSM是將能量直接作用於原子，通過構建原子尺度結構實現特定功能與性能，並實現批量生產、滿足所需要求的前沿製造技術，是突破當前科技前沿製造瓶頸的下一代製造技術的主要發展趨勢，對未來科技發展和高端元器件製造具有重大意義。
當前我國在部分核心技術領域受到一些發達國家的鉗制，這在一定程度上制約了我國經濟的發展。我國一方面應大力布局加快核心技術研發，解決「卡脖子」問題；另一方面更要超前布局下一代前沿技術開發，把握未來製造技術「制高點」，實現國家經濟的健康發展。
還是以晶片為例，我國在微電子晶片製造的研究、開發與產業化方面已付出巨大努力，力求趕超發達國家已經達到的技術水準。倘若若干年後其他發達國家搶先掌握下一代製造技術，開發出下一代核心元件，我國不得不進入新一輪的追趕，甚至遭遇另一輪的技術壁壘。
無論是目前炙手可熱的量子晶片，抑或是其他尚未被預見的新的革命性元器件，當它們形成產品時，對新一代製造技術的需求將是必然。作為下一代製造技術的代表，原子及近原子尺度製造的啟動、策劃與實施，將對我國的科技戰略發展起到重要的引領和支撐作用，有利於我國在下一輪科技競爭中佔領先機。
1.3 國內外研究現狀
天津大學微納製造實驗室於2013年提出了製造歷史發展的三個階段，於2015年發表於《人民日報》，論述了原子及近原子尺度製造發展的必然趨勢，並開展了納米乃至原子尺度的材料去除的基礎理論研究。儘管原子及近原子尺度製造是一個全新的領域，但國內外均已有研究機構在相關領域開展研究，並作為戰略技術儲備。
美國國防高級研究計劃局（DARPA）於 2015年底啟動了從原子到產品（A2P）研究計劃，旨在研製出一種裝配方法，使製造出的大尺度材料、組件和系統能夠保留納米級材料的性能；針對電子產品與所處環境長期相互作用引起的可靠性問題，歐洲、美國等國家和地區的研究人員開展了「從原子到產品的可靠性」的研究，旨在從原子級層次研究減弱這種相互作用對系統可靠性的影響。
2018年6月，加拿大阿爾伯塔大學的科學家嘗試將機器學習用於原子製造，為推動原子尺度、低功耗電子產品的發展尋求解決方案，這一探索有望使得原子尺度製造和大規模生產成為可能。此外，日本大阪大學、英國思克萊德大學、美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等高校和科研機構也開展了相關基礎研究。
中國工程物理研究院研究人員於2016年發表文章介紹了美國A2P理念，並結合強約束集成微系統，闡述了原子製造的意義。2019年4月，華為成立「戰略研究院」，正式將原子製造確定為其重要探索方向之一，並召開專題研討開始布局，旨在利用原子製造技術將摩爾定律極限進一步提升。
目前，國內已有單位組建了「原子製造」相關研究平臺：南京大學於2018年底建立了原子製造創新研究中心，其研究內容包括開發新一代原子簇、二維原子層晶體和原子機器的材料與器件；中國科學院啟動了戰略性先導科技專項（B類）「功能導向的原子製造前沿科學問題」，天津大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學、大連理工大學、國防科技大學、清華大學等高校及若干科研機構也開展了相關基礎研究。
需要說明的是，目前許多「原子製造」研究更多地聚焦於凝聚態物理的前沿熱點方向，開發與設計新型原子團簇或低維功能材料，其研究核心有別於製造。製造是把原材料加工成滿足使用者要求的產品的全工藝過程，其重點在於獲得包括精度在內的性能指標以滿足使用需求。
ACSM指的是製造對象與過程直接作用於原子，跨越宏、微、納觀尺度，材料在原子量級被去除、轉移或增加，將原始材料或部件轉化為滿足用戶期望或性能要求的產品的所有必要步驟。ACSM旨在通過原子尺度的操作，最終得到具有預期功能的微器件，是真正意義上的功能定製，即根據所求功能，直接操縱原子，跨越現有材料特性限制，確定性地達到預期功能要求。
2、主要內容
2.1 科學價值
科學理論與技術的發展由問題與需求所驅動。
晶片是體現國家製造水平與國際競爭力的核心器件之一，通過優化現有IC工藝來減小線寬已越來越困難，特徵尺寸已經達到幾納米的量級，這預示著晶片的發展已經逼近其物理極限。新一代核心器件的出現已是必然，而實現新一代晶片製造技術必然是原子尺度的。
ACSM對製造理論與技術的推動將是全新的，在第一代基於經驗與藝術的製造以及第二代的精密與超精密製造中，量子效應是不明顯的。對於ACSM，製造對象是原子尺度的，在原子尺度上，量子效應對製造過程與結果產生直接影響，這是製造Ⅲ與製造Ⅱ、製造Ⅰ的根本區別：ACSM的基礎理論體系基於量子理論。
ACSM打破了現有製造中材料的增、減與轉移三種模式的明確界限，在極端情況下均歸結為單原子運動與遷移過程。不管是自下而上的原子級組裝，還是自上而下的原子級去除，電子態的調控（即鍵的形成與斷裂）都是其基本過程。因此，ACSM具有完全不同於現有製造的理論框架，該框架的底層不再是基於諸如應力/應變、化學方程式或傳統光學等原理，而將由量子力學所決定。
ACSM應從基本物理定律出發（並非單純的幾何計算）對製造極限、精度等概念在原子尺度下的內涵進行重新定義，同時衍生出一系列新原理與新技術。例如，不同於現有製造中能量作用於材料的表面微元或體微元，ACSM中精確的原子操縱需要將能量直接作用於單個原子或原子團簇之上，因而要求能量場具有極高的空間分辨力。這種操控原理勢必是基於原子尺度及原子與納觀尺度對象間相互作用機制的，並具有強量子效應。
製造裝備方面，目前的超精密工具機與光刻機是通過對具有宏觀尺寸的物體或能量束的精密控制來實現最終的製造精度，而ACSM的原子級過程則可能掀起微尺度到原子尺度機器的研究熱潮。
由於這一尺度下的相互作用與宏觀力不同，傳統的機械設計流程將被新方案所代替，甚至主軸、導軌等功能結構可能由大分子鏈或原子團簇組成。原子尺度的測量目前能夠通過原子力顯微鏡（AFM）、透射電鏡（TEM）以及掃描隧道顯微鏡（STM）等多種方法實現，而ACSM將賦予測量新的涵義。
一方面，某些測量設備中的能量束已經可以用作加工；另一方面，ACSM的量子特性使測量過程具備了影響被測對象的可能性，這在現有製造中是未曾出現的。在量子理論中，測量被廣義地理解為微觀粒子與經典物體的相互作用，通過測量不僅能夠獲得、還會影響微觀系統的狀態，這很可能是ACSM中測量所具有的新特性。
在下一代製造中，ACSM具有更強的多領域交叉性，原子尺度下精度與性能的實現也必然要融合幾乎所有自然科學與技術領域的前沿發展成果。
ACSM將對微觀世界的物理、化學、生物等領域的研究提供強有力的支持，如構建結構更為複雜的人造材料、進行化學反應的精確控制以及基因片段的精確調控等。
物理學家費恩曼於1959年提出了「There’s Plenty of Room at the Bottom」的思想，並由此開啟了納米時代。至今已經存在了諸多原子尺度的相關工作，如分子電路、分子機器等。
作為下一代製造的核心技術，ACSM一方面需要借鑑這些工作，但更重要的是它將構建從原材料到滿足用戶需求的最終產品的一整套原子及近原子尺度解決方案，以包括精度在內的性能要求為第一要務，實現高效、高重複性與高性價比的產業化需求。
2.2 主要科學問題
完整的ACSM研究應該從原子及近原子尺度系統性地解決三類製造領域中較為共性的科學問題（分別與內在機理、工藝方法與裝備以及評價體系相關），如下圖所示。
（1）科學問題一：單原子操作規律、多原子相互作用機理及ACSM與宏觀尺度的聯繫。
ACSM機理研究中的第一個問題是理解和認識單原子操作規律的基礎問題，這個問題包括單原子捕獲、移動和定位的完整過程，即實現單原子穩定捕獲後需要繼續完成高精度移動與定位，最終將單原子放置在原子級器件的指定位置。
ACSM機理研究中的第二個問題在於認識廣泛的多原子相互作用、多原子結構的形成規律、如何獲取穩定結構及該結構對原子級器件最終使用性能的影響機制和影響程度，該問題是ACSM由基礎研究走向應用的關鍵。
ACSM機理中的第三個問題是認識ACSM與宏觀尺度的聯繫，包括預測ACSM功能器件在宏觀尺度的使用性能及量化ACSM，這是拓展ACSM應用範圍、保證ACSM產品最終使用性能的重要科學問題。
（2）科學問題二：能量直接作用在原子級基本製造單元。
這一問題包含兩個方面：
一是要研究ACSM裝備的設計原理（包括了結構設計和控制原理）和環境控制，形成適用於原子及近原子尺度的製造系統，在原子級器件的尺度下進行製造活動，該方面的核心是認識和了解在原子及近原子尺度下製造系統的物料流、信息流和能量流如何運動，並探索建立具有一定通用性的多維製造系統；
二是在ACSM中，原子間的作用力不能被忽視，要認識和利用原子間的作用關係，研究使原子自發形成功能器件的自組裝原理，並發展為較為通用的ACSM製造方法及相應裝備。
（3）科學問題三：原子及近原子尺度下的測量新特徵。
明確不同ACSM工藝方法和製造參數對原子級器件最終使用性能的影響規律是ACSM評價體系建立的關鍵科學問題。
2.3 主要目標及內容
ACSM的總體目標是實現一個完整的系統性的原子及近原子尺度製造過程，這個製造過程可以完成原始材料或部件轉化為滿足用戶需求的原子級功能器件或產品所有必要步驟，並在全過程中保證原子級精度與性能。
這需要在機理、工藝方法、裝備和檢測評價體系等各個環節實現重大創新與突破。建立基於原子理論的ACSM基礎理論體系是ACSM發展的首要目標和必要條件。
綜合科學價值、科學問題以及總體目標構建的 ACSM 的主要內容框圖見下圖。
3、重大需求
ACSM涉及機械、物理、化學化工、生命科學和材料等多個學科，採用該技術製造的器件和產品有望應用於通信、信息存儲與計算、航空航天、能源和醫療等眾多領域。
3.1 量子晶片
隨著大數據時代的到來，傳統的電子計算機已經越來越無法滿足信息處理速度和存儲能力的要求。更高的運算速度、更大的存儲密度、更低的容錯率以及便攜化的需求可能需要依靠新一代的計算機——量子計算機實現。
傳統晶片的集成技術走向經典物理的極限時，計算能力的進一步提升必將依託於微觀世界的量子化規則。量子晶片具有強大的信息處理能力：量子比特（qubit）得天獨厚的疊加和糾纏特性，可極大提高運算速度和存儲能力。
谷歌開發的一款53 qubit的超導量子晶片「Sycamore」對隨機量子線路採樣100 萬次只需200 s，而目前最強的超級計算機Summit需時長達1 萬年（IBM研究人員針對該文的博客中稱，只要滿足硬碟驅動存儲條件，谷歌測試的量子計算任務在現有的計算機上完成只需要2.5 天）。
此外，量子計算還可以重新定義很多程序和算法，顛覆醫療、通信、密碼等眾多領域，是技術革命的重要科技之一。量子技術無可比擬的優勢帶來的是一場嚴峻的國際量子競賽：谷歌、IBM、微軟、英特爾、華為、阿里等高科技公司都為此投入大量研究力量。
目前，量子點常見的合成方法有：有機相合成法、水相合成法、水熱法和溶劑熱法、微波輔助水熱法、微乳液法等。但當前量子點的合成工藝較為複雜，而且產率較低，無法實現高位置精度的量子點製造。
ACSM通過對單原子的直接操縱，有望實現量子點的高位置精度加工和高度複雜結構的製造，加工位置精度和產率將得到極大的提高。同時，ACSM可在加工中避免缺陷的產生，並能夠對材料本身的缺陷進行原子尺度的修復。因此，ACSM技術的引入，將有望突破現有的技術壁壘，在下一代量子晶片開發領域佔據主動地位。
3.2 冷原子幹涉陀螺儀
慣性導航系統由於其完全自主、不受幹擾、輸出信息量大、實時性強等優點，在高技術領域具有不可替代的優勢。核心慣性器件陀螺儀的精度直接影響慣導系統定位和姿態輸出的精度，所以慣性導航技術的發展從某種意義上講可以等同於陀螺儀傳感器技術的發展。
利用原子德布羅意波的Sagnac效應的冷原子幹涉陀螺，作為第三代量子物質波陀螺的代表，以其超高的測量精度，正成為慣性測量及航天控制領域的研究熱點和戰略關鍵。國際上眾多機構都已著手於冷原子技術的探索。
冷原子幹涉陀螺儀以原子作為敏感介質，對原子經過雷射的冷卻、囚禁和操控等步驟以後，利用原子的能級性質、波動性質對原子波包操作實現幹涉，進而可以形成類似環形雷射陀螺的幹涉現象，測量最終的幹涉條紋即可得到載體的轉動和加速度信息。
在慣性導航領域，理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學陀螺儀至少高一千倍。傳統的慣性導航系統漂移大約是1.8 km/h，而基於冷原子幹涉陀螺儀的慣性導航系統漂移理論上不超過10 m/h。
在原子幹涉陀螺儀的實現中，原子的冷卻、囚禁和操作需要大量的光學器件作為支撐。為了在不犧牲精度的前提下使用便攜設備實現原子俘獲，可以使用光子集成電路代替傳統的光學系統。光子集成晶片比傳統的分立光-電-光處理方式降低了成本和複雜性，通過將很多的光學元器件集成在一個單片之中，大規模單片PIC使得系統尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高。
此外，光子集成晶片的應用使得傳輸系統所需要的獨立光器件數量大幅減少，同時大大減少了光器件封裝的次數。使用光子集成電路製造的原子幹涉陀螺儀不僅在系統尺寸上顯著減小，而且在角靈敏度和動態範圍方面也大幅度提高。
DARPA於2018年發布的原子-光子集成（A-PhI）項目建議徵集書中也將利用光子集成電路的原子幹涉陀螺儀列為未來研究重點。利用ACSM將有望突破傳統加工技術製造光子集成電路的瓶頸，實現新型原子幹涉陀螺儀的穩定製造。
3.3 超材料及新材料
隨著製造技術的發展，材料製備不再局限於自然界已有材料，人類有能力突破表觀自然規律的限制，逆向設計製造出具有超常物理特性的新型材料。這種具有人工設計的結構並呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的複合材料，被稱為「超材料」。
超材料功能特性取決於其人工結構，其設計製造理念是將一個個具有不同幾何結構的納米級人工原子重新排列組合，從而形成一種新型功能材料。值得注意的是，超材料只是廣義上的新材料，而真正意義上的新材料應當是自然界不存在的具有全新微觀物質結構和超常物理特性的新型材料。
超材料結構的製備工藝主要有印刷電路板堆疊組裝、機械加工及組裝、微電子刻蝕工藝以及3D列印技術。超材料的功能特性由其微觀結構和宏觀結構共同決定，所以超材料的製造要同時兼顧其微觀結構和宏觀結構，這對其製造工藝提出了更高要求。未來，製造技術與超材料結構理論研究相結合是超材料研究發展的必然趨勢。
ACSM技術的出現和應用有望為超材料結構的製造和新材料的開發提供新的思路。ACSM能夠直接作用於微觀尺度粒子，可望實現對微觀粒子和結構的精準操控和修復，從而優化超材料微觀結構，最大限度地開發材料性能。
基於ACSM技術，一方面可以根據不同的功能需求在原子尺度上對構成材料的基本單元和結構（原子、分子、電子、價鍵和晶格結構等）進行設計改造；另一方面，依靠ACSM對材料微觀粒子和結構的精準操控，人類可以設計和製造自然界不存在的全新材料，開啟功能性材料「定製化」新時代。
ACSM技術的發展，可極大地釋放新材料/超材料的設計自由度，將前沿科學設計變成科學產品，促進相關領域科研成果的快速轉化，直至廣泛應用。
4、建議及措施
近年來，我國在半導體技術、集成電路、超材料製備等各關鍵科學領域已經取得了長足進步，但是不少核心技術受制於國外的現狀仍然沒有根本改變，亟需加強核心技術攻關、突破瓶頸，保障國防安全、相關供應鏈安全和產業安全。
在當前複雜的國際形勢下，工業半導體材料、晶片、器件及超材料製備的發展滯後將制約我國在通信、信息存儲與計算、航空航天、國防、能源和醫療等重點領域的突破，進而影響國家安全與經濟發展。
針對目前多個前沿領域已面臨相關瓶頸的問題，我國需要在現有研究規劃的基礎上，提前布局下一代製造技術，即原子及近原子尺度製造，搶佔科技競爭先機。
4.1 基於科學規律，探索ACSM的內在機理
建議基於相關領域研究，對原子及近原子尺度下的理論研究重點立項，先行進行基礎理論研究的布局。
4.2 遵循具有前瞻性的需求引領，在原子及近原子尺度下實現多領域跨越式發展
為了實現跨越式發展，突破敏感材料、關鍵工藝等發展瓶頸，我國應積極投入對ACSM的研究，開發原子級精度的製造裝備。建議根據國家重大戰略需求，組織相關專家進行科學論證，成立科學研究平臺進行先行探索，以逐漸投入的方式進行孵化，為下一代製造技術的發展提供平臺。
4.3 重視學科共性，在原子及近原子尺度下實現學科融合與交叉
ACSM的研究需要機械、物理、化學、材料及生命科學等多個學科不斷進行學術交流，通過不同學術觀點的爭鳴和學術思想的碰撞、切磋、互相滲透和融合，擴大視野。建議針對ACSM的研究，成立相關交叉學科科研管理平臺，為未來的學科建設凝聚一批水平高、學科綜合交叉的研究團隊，相輔相成地展開共同研究。
4.4 具體舉措
建議國家儘快啟動專家論證，組織多領域多學科專家針對ACSM發展開展深入探討與論證。下圖所示為ACSM發展簡要規劃建議。
（1）建立國家ACSM科學研究平臺。
ACSM屬於新興前沿多學科交叉研究，該平臺可依託物理、化學、製造、測量等多領域人才開展ACSM相關研究和論證，並基於多領域交叉優勢致力於建設ACSM的機理、方法、技術，形成具有國際競爭力的研究平臺，實現重大突破，佔領國際制高點。
（2）設立ACSM重大專項。
該先導專項將凝聚一批多學科科學研究團隊，致力於ACSM製造機理、工藝及測量等方面研究，實現理論的突破和新基礎技術的發明，在優勢互補基礎上開展協同創新，加強關鍵技術聯合攻關，同時通過專項的支持，培養出一批國際領軍科學家和核心技術人才，引領國際ACSM領域發展方向。
（3）設立創新人才培養專項。
根據ACSM關鍵技術需要，開展ACSM探索性、原創性研究，依託高水平大學、科研機構和國內骨幹企業，針對性地培養一批高端人才和團隊，努力造就世界級科技大師及創新團隊，建立有利於科技人員潛心研究的良好環境。
設立小額度的種子項目，鼓勵「大膽想像」、「風險高」的探索項目由青年科學家獨立完成，助力青年科學家的創新，根據項目完成情況和後續研究計劃給予持續支持，儲備一大批有潛力的青年科學家。