中國科大多項成果入選“2021年中國十大科技進展新聞”

1月19日消息（余予）2022年1月18日，由中國科學(xué)院、中國工程院主辦，中國科學(xué)院學(xué)部工作局、中國工程院辦公廳、中國科學(xué)報社承辦，中國科學(xué)院院士和中國工程院院士投票評選的2021年中國十大科技進展新聞、世界十大科技進展新聞在京揭曉。

從中國科大獲悉，中國科大郭光燦團隊的“稀土離子實現(xiàn)多模式量子中繼及1小時光存儲”入選2021年度“中國十大科技進展新聞”；其次，該校楊睿智教授作為共同通訊作者參與的研究成果“1400萬億電子伏特 我國科學(xué)家觀測到迄今最高能量光子”與地球和空間科學(xué)學(xué)院空間有效載荷研制團隊參與的“我國首次火星探測任務(wù)取得圓滿成功”也同時入選。

郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器研究。2021年，該研究組實現(xiàn)了一種新型量子中繼架構(gòu)，即基于吸收型存儲的多模式量子中繼；并將相干光的存儲時間提升至1個小時，大幅刷新此前的世界記錄（1分鐘），證實了光量子U盤的原理可行性。以上成果為遠程量子通信的實現(xiàn)提供了基于稀土離子的全新解決方案。

基于吸收型量子存儲器實現(xiàn)量子中繼的原理示意圖（圖源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

2001年以來，中國科大共有24項成果入選中國十大科技進展新聞。

據(jù)了解，“中國/世界十大科技進展新聞”年度評選活動至今已舉辦了28次。評選結(jié)果經(jīng)新聞媒體廣泛報道后，在社會上產(chǎn)生了強烈反響，使公眾進一步了解國內(nèi)外科技發(fā)展的動態(tài)，對普及科學(xué)技術(shù)起到了積極作用。

以下為2021年十大科技進展新聞及2021年世界十大進展新聞：

一、2021年中國十大科技進展新聞

01 我國首次火星探測任務(wù)取得圓滿成功

6月11日，國家航天局在京舉行天問一號探測器著陸火星首批科學(xué)影像圖揭幕儀式，公布了由祝融號火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學(xué)影像圖的發(fā)布，標志著我國首次火星探測任務(wù)取得圓滿成功。

據(jù)悉，我國首次火星探測任務(wù)于2013年全面啟動論證，2016年1月批準立項。2020年7月23日天問一號探測器于海南文昌成功發(fā)射，歷經(jīng)地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測等階段，工程任務(wù)按計劃順利開展。

02 中國空間站開啟有人長期駐留時代

6月17日和10月16日，神舟十二號、神舟十三號載人飛船相繼發(fā)射成功，順利將航天員送入太空。神舟十二號與天和核心艙對接形成組合體，3名航天員進駐核心艙，進行了為期3個月的駐留，開展了一系列空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗，在軌驗證了航天員長期駐留、再生生保、空間物資補給、出艙活動、艙外操作、在軌維修等空間站建造和運營關(guān)鍵技術(shù)。

神舟十三號入軌后，與天和核心艙和天舟二號、天舟三號組合體完成自主快速交會對接，3位航天員開啟為期6個月的在軌駐留，其間將開展機械臂操作、出艙活動、艙段轉(zhuǎn)位及空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗等工作，進一步驗證航天員長期在軌駐留、再生生保等一系列關(guān)鍵技術(shù)，中國空間站有人長期駐留時代到來。

03 我國實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成

淀粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是重要的工業(yè)原料。其主要合成方式是由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳來進行。長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產(chǎn)生的氫氣為原料，成功生產(chǎn)出淀粉，在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，取得原創(chuàng)性突破。相關(guān)研究成果9月24日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

04 我國團隊憑打破“量子霸權(quán)”的超算應(yīng)用摘得2021年度“戈登貝爾獎”

11月18日下午于美國密蘇里州圣路易斯舉行的全球超級計算大會（SC21）上，國際計算機協(xié)會（ACM）將2021年度“戈登貝爾獎”授予中國超算應(yīng)用團隊。這支由之江實驗室、國家超算無錫中心等單位研究人員組成的聯(lián)合科研團隊，基于新一代神威超級計算機的應(yīng)用“超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬”（SWQSIM）獲此殊榮。

在這項工作中，研究人員引入了一個系統(tǒng)的設(shè)計過程，涵蓋了模擬所需的算法、并行化和系統(tǒng)架構(gòu)。使用新一代神威超級計算機，研究團隊有效模擬了一個深度為10x10 (1+40+1)隨機量子電路。與谷歌量子計算機“懸鈴木”200秒完成百萬0.2%保真度采樣任務(wù)相比較，“頂點”需要一萬年完成同等復(fù)雜度的模擬，該團隊SWQSIM應(yīng)用則可在304秒以內(nèi)得到百萬更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無關(guān)聯(lián)樣本，一舉打破其所宣稱的“量子霸權(quán)”。

05 1400萬億電子伏特 我國科學(xué)家觀測到迄今最高能量光子

中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的國際合作組依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個超高能宇宙線加速器，并記錄到能量達1.4拍電子伏（PeV，拍=千萬億）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠把粒子加速到超過1PeV的宇宙線加速器，開啟了“超高能伽馬天文”觀測時代。相關(guān)成果5月17日發(fā)表于《自然》。

06 嫦娥五號樣品重要研究成果先后出爐

10月19日，中國科學(xué)院發(fā)布嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和國家天文臺主導(dǎo)，聯(lián)合多家研究機構(gòu)通過3篇《自然》論文和1篇《國家科學(xué)評論》論文，報道了圍繞月球演化重要科學(xué)問題取得的突破性進展。

在最新的研究中，科研人員利用超高空間分辨率鈾—鉛（U-Pb）定年技術(shù)，對嫦娥五號月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物（斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石）進行分析，確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，表明月球直到20億年前仍存在巖漿活動，比以往月球樣品限定的巖漿活動延長了約8億年。

研究顯示，嫦娥五號月球樣品玄武巖初始熔融時并沒有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”，嫦娥五號月球樣品富集“克里普物質(zhì)”的特征，是由于巖漿后期經(jīng)過大量礦物結(jié)晶固化后，殘余部分富集而來。

這一結(jié)果排除了嫦娥五號著陸區(qū)巖石的初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動過程。據(jù)悉，此次研究采用的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，為珍貴地外樣品年代學(xué)等研究提供了新的技術(shù)方法。

07 異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破

隨著世界人口的快速增長，至2050年糧食產(chǎn)量或?qū)⒃黾?0%才能完全滿足需求。與此同時，近年來世界氣候變化加劇，全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)等都為糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，如何進一步提高作物單產(chǎn)成為亟待解決的嚴峻問題。

中國科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院/遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，從而大幅提升糧食產(chǎn)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。本項研究為未來應(yīng)對糧食危機提出了一種新的可行策略，開辟了全新的作物育種方向。相關(guān)研究成果2月4日發(fā)表于《細胞》。

08 我國研發(fā)成功-271℃超流氦大型低溫制冷裝備

4月15日，由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”通過驗收及成果鑒定，標志著我國具備了研制液氦溫度（零下269攝氏度）千瓦級和超流氦溫度（零下271攝氏度）百瓦級大型低溫制冷裝備的能力，可滿足大科學(xué)工程、航天工程、氦資源開發(fā)等國家戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展的迫切需要。

項目的成功實施，還帶動了我國高端氦螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競爭力，使相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了從無到有、從低端到高端的提升，在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。

09 植物到動物的功能基因轉(zhuǎn)移首獲證實

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍團隊經(jīng)過20年追蹤研究，發(fā)現(xiàn)被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）認定的迄今唯一“超級害蟲”煙粉虱，具有一種類似“以子之矛、攻子之盾”的本領(lǐng)：其從寄主植物那里獲得了防御性基因。這是現(xiàn)代生物學(xué)誕生100多年來，首次研究證實植物和動物之間存在功能性基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

相關(guān)科研成果3月25日在線發(fā)表于《細胞》，并作為《細胞》封面文章于4月1日出版。這是我國農(nóng)業(yè)害蟲研究領(lǐng)域在《細胞》雜志的首篇論文，揭示了昆蟲如何利用水平轉(zhuǎn)移基因來克服宿主的防御，為探索昆蟲適應(yīng)性進化規(guī)律開辟了新的視角，也為新一代靶標基因?qū)虻臒煼凼镩g精準綠色防控技術(shù)研發(fā)提供全新思路。

10 稀土離子實現(xiàn)多模式量子中繼及1小時光存儲

量子不可克隆定律賦予了量子通信基于物理學(xué)原理的安全性。而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統(tǒng)的放大器來克服，使得遠程量子通信成為當(dāng)今量子信息科學(xué)的核心難題之一。量子中繼和可移動量子存儲是實現(xiàn)遠程量子通信的兩種可行方案，其共性需求是高性能的量子存儲器。

在量子中繼方面，國際已有實驗研究都聚焦于發(fā)射型存儲器的架構(gòu)，無法同時滿足確定性發(fā)光和多模式復(fù)用這兩個關(guān)鍵技術(shù)需求?？梢苿恿孔哟鎯Ψ矫?，國際上光存儲的時間最長僅1分鐘，無法滿足可移動量子存儲小時量級存儲時間的需求。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于稀土離子摻雜晶體研制出高性能的固態(tài)量子存儲器，并在上述兩條技術(shù)路線上取得了重要進展，實現(xiàn)了一種基于吸收型存儲器的多模式量子中繼，并成功將光存儲時間提升至1小時。相關(guān)成果于4月22日和6月2日分別發(fā)表于《自然—通訊》和《自然》。

二、2021年世界十大科技進展新聞

01 全球首個“自我復(fù)制”的活體機器人誕生

美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)威斯生物啟發(fā)工程研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用其創(chuàng)造了有史以來第一個可進行自我復(fù)制多代的活體機器人——Xenobots 3.0。

它僅有毫米大小，既不是傳統(tǒng)的機器人，也不是已知的動物物種，而是一種從未在地球上出現(xiàn)過的、活的、可編程的全新有機體。據(jù)悉，該活體機器人或許可以有助于醫(yī)學(xué)的全新突破——除了有望用于精準的藥物遞送之外，它的自我復(fù)制能力也使得再生醫(yī)學(xué)有了新的幫手，或可為出生缺陷、對抗創(chuàng)傷、癌癥與衰老提供開創(chuàng)性的解決思路。11月29日，相關(guān)研究成果發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

02 核聚變向“點火”邁進一大步

我們在地球上之所以能看到陽光、感受到溫暖，都是源自于發(fā)生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當(dāng)原子合并在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實驗室里實現(xiàn)核聚變并非易事，一個重大的挑戰(zhàn)就是“點火”（即聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或超過輸入能量的時刻）。

8月8日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）進行了一項新的實驗。NIF的科學(xué)家團隊重現(xiàn)了存在于太陽核心的極端溫度和壓力，NIF的強大的激光脈沖引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，產(chǎn)生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大約相當(dāng)于一輛時速160公里的汽車的動能。

這一能量達到觸發(fā)該過程的激光脈沖能量的70%，意味著接近核聚變“點火”，即反應(yīng)產(chǎn)生的能量足以使反應(yīng)持續(xù)下去，在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。

03 科學(xué)家借助AI技術(shù)破解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測難題

科學(xué)家們一直希望通過基因序列簡單地預(yù)測蛋白質(zhì)形狀——如果能夠成功，這將開啟一個洞察生命運作機理的新世界。美國華盛頓大學(xué)和英國DeepMind公司分別公布了多年工作的成果：先進的建模程序，可以預(yù)測蛋白質(zhì)和一些分子復(fù)合物的精確三維原子結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)放入公開的數(shù)據(jù)庫免費供全球科研人員使用。

據(jù)DeepMind公司報告顯示，其人工智能程序AlphaFold預(yù)測出98.5%的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，有助于深入理解一些關(guān)鍵生物學(xué)信息，從而更好開展藥物研發(fā)。而美國華盛頓大學(xué)創(chuàng)建的高精確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測程序名叫RoseTTAFold，基于深度學(xué)習(xí)，它不僅能預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，還能預(yù)測蛋白質(zhì)之間的結(jié)合形式。僅需十分鐘，RoseTTAFold就能用一臺游戲電腦準確計算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文于7月15日分別刊登于《自然》和《科學(xué)》。

04 “基因剪刀”首次治療遺傳

研究人員首次利用CRISPR治療罕見致命肝病，該方法依賴一種包含編碼DNA剪切酶的mRNA和另一種將其引導(dǎo)到特定基因序列的RNA。圖片

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