年終盤點：2021年中國科技(jì)的重大(dà)突破
2021年已經步入尾聲，過去的一年是科技(jì)界屢創新高(gāo)、收獲滿倉的一年。這一年，恰逢中國共産黨百年華誕，我國科技(jì)界更是取得(de)多(duō)項重要突破。量子計(jì)算(suàn)獲得(de)重大(dà)進展，使我國成為(wèi)唯一在兩個(gè)物理(lǐ)體(tǐ)系中實現量子計(jì)算(suàn)優越性的國家(jiā)；“中國天眼”正式向全世界開(kāi)放，盡顯大(dà)國風度；成功實現二氧化碳人(rén)工合成澱粉，為(wèi)人(rén)類未來(lái)提供了全新的可(kě)能……
這一年，是科技(jì)工作(zuò)者們步履不停的一年，他們在追尋科學真理(lǐ)的道(dào)路上(shàng)百折不撓，不斷刷新着人(rén)類所能達到的新高(gāo)度。科技(jì)界必将乘着時(shí)代的東風再啓航，向着更加多(duō)姿多(duō)彩的未來(lái)昂首前進。
1、找回水(shuǐ)稻“祖先”基因，有(yǒu)助培育更優秀的水(shuǐ)稻品種
快速從頭馴化異源四倍體(tǐ)野生(shēng)稻，發揮多(duō)倍體(tǐ)優勢，找回當下栽培稻已經丢失的部分優秀基因，培育出産量更高(gāo)、環境适應能力更強的新型水(shuǐ)稻作(zuò)物——中國科學院種子創新研究院、遺傳與發育生(shēng)物學研究所李家(jiā)洋團隊與合作(zuò)者的這項突破性進展，2月4日在國際知名學術(shù)期刊《細胞》發表。
多(duō)倍化是植物進化的重要機制(zhì)。今天我們所種植的栽培稻經過了數(shù)千年的人(rén)工馴化，其農藝性狀不斷改良，但(dàn)同時(shí)也損失了大(dà)量的遺傳多(duō)樣性，造成優勢基因資源缺失。而異源四倍體(tǐ)相比二倍體(tǐ)多(duō)2個(gè)染色體(tǐ)組，異源四倍體(tǐ)野生(shēng)稻具有(yǒu)生(shēng)物量大(dà)、自帶雜種、環境适應能力強等優勢。但(dàn)其具有(yǒu)的非馴化特征，也讓它無法直接應用于農業生(shēng)産。
李家(jiā)洋團隊從綜合表現更好的四倍體(tǐ)野生(shēng)稻出發，利用現代基因組編輯技(jì)術(shù)，将幾千至上(shàng)萬年的水(shuǐ)稻馴化史在短(duǎn)時(shí)間(jiān)內(nèi)“重演”，并且避免了部分基因丢失，首次設計(jì)并完成了異源四倍體(tǐ)野生(shēng)稻快速從頭馴化的框架圖，有(yǒu)望培育出産量高(gāo)、環境适應能力強的新型水(shuǐ)稻作(zuò)物。研究團隊突破了基因組解析、高(gāo)效遺傳轉化、高(gāo)效基因組編輯等技(jì)術(shù)瓶頸，在異源四倍體(tǐ)高(gāo)稈野生(shēng)稻基因組中注釋了系列馴化基因和(hé)重要農藝性狀基因，成功創制(zhì)了落粒性降低(dī)、芒長變短(duǎn)、株高(gāo)降低(dī)、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時(shí)間(jiān)不同程度縮短(duǎn)的多(duō)種基因組編輯異源四倍體(tǐ)野生(shēng)稻材料。
2、“九章”“祖沖之”上(shàng)新，在兩個(gè)物理(lǐ)體(tǐ)系實現量子優越性
研發具有(yǒu)實用價值的量子計(jì)算(suàn)機，一直是量子計(jì)算(suàn)領域最重要的發展目标之一，也是當下各國競相角逐的焦點。過去一年，我國在量子計(jì)算(suàn)機研發領域取得(de)了多(duō)項重大(dà)進展。
2月27日，國際權威期刊《科學進展》發表成果，由國防科技(jì)大(dà)學、軍事科學院、中山(shān)大(dà)學等機構研究人(rén)員研發出的一款新型可(kě)編程矽基光量子計(jì)算(suàn)芯片，實現了多(duō)種圖論問題的量子算(suàn)法求解，有(yǒu)望未來(lái)在大(dà)數(shù)據處理(lǐ)等領域獲得(de)應用。
5月7日，《科學》雜志(zhì)發表中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學潘建偉團隊研究成果，其成功研制(zhì)出了量子計(jì)算(suàn)原型機“祖沖之号”，操縱的超導量子比特達到62個(gè)，并在此基礎上(shàng)實現了可(kě)編程的二維量子行(xíng)走。該成果為(wèi)在超導量子系統上(shàng)實現量子優越性，以及後續研究具有(yǒu)重大(dà)實用價值的量子計(jì)算(suàn)奠定了技(jì)術(shù)基礎。
10月底，潘建偉團隊進一步研制(zhì)出了66比特的可(kě)編程超導量子計(jì)算(suàn)原型機“祖沖之2.0”，在随機線路采樣任務上(shàng)實現了量子計(jì)算(suàn)優越性，所完成任務的難度較2019年Google“懸鈴木”高(gāo)出2—3個(gè)數(shù)量級。
與此同時(shí)，潘建偉團隊升級版的“九章2.0”也極大(dà)提高(gāo)了其量子優勢，對于高(gāo)斯玻色采樣問題，1年前的“九章”一分鍾可(kě)以完成的任務，世界上(shàng)最強大(dà)的超級計(jì)算(suàn)機需要花(huā)費億年時(shí)間(jiān)；而“九章2.0”一分鍾完成的任務，超級計(jì)算(suàn)機花(huā)費的時(shí)間(jiān)要再增加百億倍。并且“九章2.0”還(hái)具有(yǒu)了部分可(kě)編程的能力。
“九章2.0”和(hé)“祖沖之2.0”的出現，使我國成為(wèi)唯一在兩個(gè)物理(lǐ)體(tǐ)系中實現量子計(jì)算(suàn)優越性的國家(jiā)。
3、“中國天眼”迎全球科學家(jiā)，3月底開(kāi)始征集觀測申請(qǐng)
本着開(kāi)放天空(kōng)的原則，被譽為(wèi)“中國天眼”的國家(jiā)重大(dà)科技(jì)基礎設施500米口徑球面射電(diàn)望遠鏡（FAST）于北京時(shí)間(jiān)2021年3月31日0時(shí)起向全世界天文學家(jiā)發出邀約，征集觀測申請(qǐng)，所有(yǒu)國外申請(qǐng)項目統一參加評審。觀測時(shí)間(jiān)從今年8月開(kāi)始。
中國天眼坐(zuò)落于貴州省黔南州平塘縣的大(dà)窩凼，于2016年落成，是具有(yǒu)自主知識産權、世界最大(dà)單口徑、最靈敏的射電(diàn)望遠鏡。射電(diàn)望遠鏡與光學望遠鏡一樣，口徑越大(dà)接收到的電(diàn)磁波越多(duō)，其靈敏度就越高(gāo)，探測能力就越強。借此，中國天眼能夠監聽(tīng)到宇宙中微弱的射電(diàn)信号。
通(tōng)過國家(jiā)驗收啓動運行(xíng)以來(lái)，中國天眼設施運行(xíng)穩定可(kě)靠，發現的脈沖星數(shù)量已達到500餘顆，并在快速射電(diàn)暴等研究領域取得(de)重大(dà)突破。中國天眼的研制(zhì)和(hé)建設，不僅體(tǐ)現了我國的自主創新能力，還(hái)推動了我國天線制(zhì)造技(jì)術(shù)、微波電(diàn)子技(jì)術(shù)、并聯機器(qì)人(rén)、大(dà)尺度結構工程、公裏範圍高(gāo)精度動态測量等衆多(duō)高(gāo)科技(jì)領域的發展。
中國科學院院士、FAST科學委員會(huì)主任武向平表示，FAST面向全球開(kāi)放使用，彰顯了充分合作(zuò)的理(lǐ)念，以及對人(rén)類命運共同體(tǐ)理(lǐ)念的實踐。
4、用液氦造出-271℃世界，大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷裝備“中國造”
4月15日，中國科學院理(lǐ)化技(jì)術(shù)研究所（以下簡稱中科院理(lǐ)化所）承擔的國家(jiā)重大(dà)科研裝備研制(zhì)項目“液氦到超流氦溫區(qū)大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷系統研制(zhì)”通(tōng)過驗收及成果鑒定，項目成果鑒定專家(jiā)組認為(wèi)，該項目整體(tǐ)技(jì)術(shù)達到國際先進水(shuǐ)平。這标志(zhì)着我國具備了研制(zhì)液氦溫度（-269℃）千瓦級和(hé)超流氦溫度（-271℃）百瓦級大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷裝備的能力。
液氦是制(zhì)造超低(dī)溫的“神器(qì)”。随着社會(huì)經濟的高(gāo)速發展，我國已成為(wèi)大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷設備的使用大(dà)國。但(dàn)由于缺乏大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷系統、關鍵子設備及集成技(jì)術(shù)，我國大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷裝備長期被國外壟斷，進口依賴度高(gāo)。
2015年12月，中科院理(lǐ)化所開(kāi)始啓動液氦到超流氦溫區(qū)大(dà)型低(dī)溫制(zhì)冷設備的研制(zhì)工作(zuò)。在幾十年低(dī)溫技(jì)術(shù)積累的基礎上(shàng)，經過5年艱苦攻關，堅持走自主創新道(dào)路，最終成功研制(zhì)出技(jì)術(shù)指标先進的大(dà)型氦制(zhì)冷機。
5、光存儲時(shí)間(jiān)達1小(xiǎo)時(shí)，向量子U盤邁出重要一步
4月，中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學郭光燦團隊李傳鋒、周宗權研究組将光存儲時(shí)間(jiān)提升至1小(xiǎo)時(shí)，大(dà)幅刷新2013年德國團隊所創造的光存儲1分鍾的世界紀錄，向實現量子U盤邁出重要一步。該成果于4月下旬發表于權威學術(shù)期刊《自然·通(tōng)訊》。
光已成為(wèi)現代信息傳輸的基本載體(tǐ)。光速高(gāo)達每秒(miǎo)30萬公裏，“降低(dī)”光速乃至讓光“停留”下來(lái)，是國際學術(shù)界一直不懈奮鬥的目标。光的存儲在量子通(tōng)信領域尤其重要，通(tōng)過将光子儲存在超長壽命的量子存儲器(qì)即量子U盤中，實現通(tōng)過直接運輸量子U盤的方式來(lái)傳輸量子信息。而考慮到飛機和(hé)高(gāo)鐵(tiě)等交通(tōng)工具的速度，量子U盤的光存儲時(shí)間(jiān)至少(shǎo)需達到小(xiǎo)時(shí)量級。
李傳鋒、周宗權研究組2015年便自制(zhì)光學拉曼外差探測核磁共振譜儀，依托該儀器(qì)，其精确刻畫(huà)了摻铕矽酸钇晶體(tǐ)光學躍遷的完整哈密頓量，并在理(lǐ)論上(shàng)預測了一階塞曼效應為(wèi)零（ZEFOZ）磁場(chǎng)下的能級結構。
未來(lái)，依靠更加成熟的量子U盤，人(rén)類有(yǒu)望實現基于經典交通(tōng)運輸工具的量子信息傳輸，從而建立起一種全新的量子信道(dào)。
6、“人(rén)造太陽”刷新世界紀錄，實現可(kě)重複1.2億℃燃燒101秒(miǎo)
5月28日，中國科學院合肥物質科學研究院傳來(lái)喜訊，有(yǒu)“人(rén)造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）取得(de)新突破，成功實現可(kě)重複的1.2億攝氏度101秒(miǎo)和(hé)1.6億攝氏度20秒(miǎo)等離子體(tǐ)運行(xíng)，創造托卡馬克實驗裝置運行(xíng)新的世界紀錄，向核聚變能源應用邁出重要一步。
地球萬物生(shēng)長所依賴的光和(hé)熱，都源于太陽核聚變反應後釋放的能量。而支撐這種聚變反應的燃料氘，在地球上(shàng)的儲量極其豐富，足夠人(rén)類利用上(shàng)百億年。如果能夠利用氘制(zhì)造一個(gè)“人(rén)造太陽”來(lái)發電(diàn)，人(rén)類則有(yǒu)望徹底實現能源自由。
但(dàn)制(zhì)造“人(rén)造太陽”面臨一個(gè)突出的現實問題：用什麽容器(qì)來(lái)承載核聚變？人(rén)工控制(zhì)條件下等離子體(tǐ)的離子溫度需達到1億℃以上(shàng)。而目前地球上(shàng)最耐高(gāo)溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多(duō)℃。這意味着，需要造出一個(gè)同時(shí)承載大(dà)電(diàn)流、強磁場(chǎng)、超高(gāo)溫、超低(dī)溫、高(gāo)真空(kōng)、高(gāo)絕緣等複雜環境的裝置，這對工藝設計(jì)和(hé)材料提出了極高(gāo)的要求。
為(wèi)了達到聚變實驗裝置所要求的條件，EAST團隊的科學工作(zuò)者自主創新，自主設計(jì)、研發了大(dà)部分具有(yǒu)自主知識産權的關鍵技(jì)術(shù)，創造性地完成了EAST裝置主機的總體(tǐ)工程設計(jì)。世界上(shàng)新一代全超導托卡馬克核聚變實驗裝置在中國率先建成并正式投入運行(xíng)，為(wèi)未來(lái)清潔能源的利用和(hé)發展提供實驗研究平台。
7、地球模拟裝置啓用，看清地球的過去、現在、未來(lái)
6月23日，國家(jiā)重大(dà)科技(jì)基礎設施“地球系統數(shù)值模拟裝置”在北京懷柔科學城落成啓用。這是我國研制(zhì)成功的首個(gè)具有(yǒu)自主知識産權的地球系統模拟大(dà)科學裝置。
地球系統模拟裝置，又稱地球模拟實驗室，是對地球系統進行(xíng)數(shù)值模拟，即以地球系統觀測數(shù)據為(wèi)基礎，利用描述地球系統的物理(lǐ)、化學和(hé)生(shēng)命過程及其演化的規律在超級計(jì)算(suàn)機上(shàng)進行(xíng)大(dà)規模科學計(jì)算(suàn)。科學家(jiā)們由此得(de)以重現地球的過去、模拟地球的現在、預測地球的未來(lái)。
此次新落成啓用的地球模拟實驗室整體(tǐ)性能與國際先進水(shuǐ)平相當，是我國首個(gè)具有(yǒu)自主知識産權，以地球系統各圈層數(shù)值模拟軟件為(wèi)核心，軟、硬件協同設計(jì)，規模及綜合技(jì)術(shù)水(shuǐ)平位于世界前列的專用地球系統數(shù)值模拟裝置。其具備地球表層各圈層的模拟能力，能夠更全面地考慮地球系統的各種過程。尤其是在當下最為(wèi)緊迫的氣候變化應對與碳中和(hé)領域，該系統能夠全方位關注全球生(shēng)态和(hé)生(shēng)物地球化學過程及其與氣候系統的相互作(zuò)用，并在此基礎上(shàng)建立起“生(shēng)态—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”的清晰關系，對溫室氣體(tǐ)核算(suàn)、未來(lái)升溫預估提供有(yǒu)力的模拟支撐，助力碳達峰、碳中和(hé)願景目标的實現。并且它還(hái)将為(wèi)我國未來(lái)在氣候與環境領域的談判提供依據，提升我國的國際話(huà)語權。
8、“冰光纖”問世，既可(kě)靈活彎曲又能高(gāo)效導光
7月9日，權威學術(shù)期刊《科學》雜志(zhì)發表的成果顯示，浙江大(dà)學光電(diàn)科學與工程學院童利民教授團隊聯合浙江大(dà)學交叉力學中心和(hé)美國加州大(dà)學伯克利分校(xiào)的科研人(rén)員，在-50℃環境中，制(zhì)備出了高(gāo)質量冰單晶微納光纖。其既能夠靈活彎曲，又可(kě)以低(dī)損耗傳輸光，在性能上(shàng)與玻璃光纖相似。
光纖作(zuò)為(wèi)一種将光約束和(hé)自由傳輸的功能結構，是目前光場(chǎng)操控最有(yǒu)效的工具之一。常規玻璃光纖的主要成分氧化矽（石英砂），是地殼中含量最豐富的物質之一。但(dàn)實際上(shàng)，在地球及諸多(duō)地外星體(tǐ)中，比石英砂更普遍的物質是冰或液态水(shuǐ)。因此用冰制(zhì)備光纖，具有(yǒu)廣泛的應用前景。
本次研究中，童利民團隊自行(xíng)搭建了生(shēng)長裝置，在大(dà)量實驗基礎上(shàng)，改進了已有(yǒu)的電(diàn)場(chǎng)誘導冰晶制(zhì)備方法，在低(dī)溫高(gāo)壓電(diàn)場(chǎng)中，輔之以一定的濕度條件，通(tōng)過靜電(diàn)促使水(shuǐ)分子朝電(diàn)場(chǎng)方向運動，改變其無序的運動狀态，從而誘發單晶生(shēng)長。最終在-50℃的環境中，成功制(zhì)備出直徑在800納米到10微米的冰單晶微納光纖。并且，該團隊還(hái)利用新發明(míng)的低(dī)溫微納操控和(hé)轉移技(jì)術(shù)，在-150℃的環境中，使冰微納光纖獲得(de)了10.9%的彈性應變，接近冰的理(lǐ)論彈性極限。
童利民認為(wèi)，該項研究結果将拓展人(rén)們對冰的認知邊界，激發人(rén)們開(kāi)展冰基光纖在光傳輸、光傳感、冰物理(lǐ)學等方面的研究，以及發展适用于特殊環境的微納尺度冰基技(jì)術(shù)。
9、“甩開(kāi)”光合作(zuò)用合成澱粉，節約資源同時(shí)提升生(shēng)産效率
9月23日，中國科學院宣布重磅成果。該院天津工業生(shēng)物技(jì)術(shù)研究所研究人(rén)員提出了一種颠覆性的澱粉制(zhì)備方法，不依賴植物光合作(zuò)用，以二氧化碳、電(diàn)解産生(shēng)的氫氣為(wèi)原料，成功生(shēng)産出澱粉，在國際上(shàng)首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成，使澱粉生(shēng)産從傳統農業種植模式向工業車(chē)間(jiān)生(shēng)産模式轉變成為(wèi)可(kě)能。相關研究成果9月24日在線發表于《科學》雜志(zhì)。
澱粉主要由綠色植物通(tōng)過光合作(zuò)用固定二氧化碳進行(xíng)合成。在玉米等農作(zuò)物中，将二氧化碳轉變為(wèi)澱粉涉及60餘步的代謝反應和(hé)複雜的生(shēng)理(lǐ)調控，太陽能的理(lǐ)論利用效率不超過2%。而農作(zuò)物的種植更是需要數(shù)月的周期，使用大(dà)量的土地、淡水(shuǐ)、肥料等資源。
為(wèi)提高(gāo)生(shēng)産效率，中國科學院天津工業生(shēng)物所研究人(rén)員從頭設計(jì)了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人(rén)工合成澱粉新途徑，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。這一人(rén)工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。并且在充足能量供給的條件下，按照目前的技(jì)術(shù)參數(shù)推算(suàn)，理(lǐ)論上(shàng)1立方米大(dà)小(xiǎo)的生(shēng)物反應器(qì)年産澱粉量相當于我國5畝土地玉米種植的平均年産量。
10、證明(míng)凱勒幾何核心猜想，解開(kāi)數(shù)學界60多(duō)年“懸案”
11月初，中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學幾何物理(lǐ)中心創始主任陳秀雄教授與合作(zuò)者程經睿在偏微分方程和(hé)複幾何領域取得(de)裏程碑式結果，其解出了一個(gè)四階完全非線性橢圓方程，成功證明(míng)強制(zhì)性猜想和(hé)測地穩定性猜想這兩個(gè)國際數(shù)學界60多(duō)年懸而未決的核心猜想，解決了若幹有(yǒu)關凱勒流形上(shàng)常标量曲率度量和(hé)卡拉比極值度量的著名問題。兩篇論文發表于國際著名刊物《美國數(shù)學會(huì)雜志(zhì)》。
凱勒流形上(shàng)常标量曲率度量的存在性，是過去60多(duō)年來(lái)幾何中的核心問題之一。關于其存在性，有(yǒu)三個(gè)著名猜想——穩定性猜想、強制(zhì)性猜想和(hé)測地穩定性猜想。經過近20年來(lái)衆多(duō)著名數(shù)學家(jiā)的工作(zuò)，強制(zhì)性猜想和(hé)測地穩定性猜想中的必要性已變得(de)完全清晰，但(dàn)其充分性的證明(míng)在此之前被認為(wèi)遙不可(kě)及。
求出一類四階完全非線性橢圓方程的解，就能證明(míng)常标量曲率度量的存在性。陳秀雄、程經睿的工作(zuò)恰恰就是在K-能量強制(zhì)性或測地穩定性的假設下，證明(míng)了這類方程解的存在。他們不僅求出了方程的解，而且建立了一套系統研究此類方程的方法，為(wèi)探索未知的數(shù)學世界提供了一種新工具。此外，他們還(hái)給出了環對稱凱勒流形上(shàng)穩定性猜想的證明(míng)，将唐納森(sēn)在環對稱凱勒曲面上(shàng)的經典定理(lǐ)推廣到了高(gāo)維，并對一般穩定性猜想的證明(míng)提出可(kě)能的解決方案，讓一般穩定性猜想的完全解決成為(wèi)可(kě)能。
來(lái)源：科技(jì)日報
