年終盤點：2021年中國科技的重大突破
2021年已經(jīng)步入尾聲，過去的一年是科技界屢創(chuàng)新高、收獲滿倉的一年。這一年，恰逢中國共產(chǎn)黨百年華誕，我國科技界更是取得多項重要突破。量子計算獲得重大進(jìn)展，使我國成為唯一在兩個物理體系中實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的國家；“中國天眼”正式向全世界開放，盡顯大國風(fēng)度；成功實現(xiàn)二氧化碳人工合成淀粉，為人類未來提供了全新的可能……
這一年，是科技工作者們步履不停的一年，他們在追尋科學(xué)真理的道路上百折不撓，不斷刷新著人類所能達(dá)到的新高度?？萍冀绫貙⒊酥鴷r代的東風(fēng)再啟航，向著更加多姿多彩的未來昂首前進(jìn)。
1、找回水稻“祖先”基因，有助培育更優(yōu)秀的水稻品種
快速從頭馴化異源四倍體野生稻，發(fā)揮多倍體優(yōu)勢，找回當(dāng)下栽培稻已經(jīng)丟失的部分優(yōu)秀基因，培育出產(chǎn)量更高、環(huán)境適應(yīng)能力更強的新型水稻作物——中國科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊與合作者的這項突破性進(jìn)展，2月4日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表。
多倍化是植物進(jìn)化的重要機制。今天我們所種植的栽培稻經(jīng)過了數(shù)千年的人工馴化，其農(nóng)藝性狀不斷改良，但同時也損失了大量的遺傳多樣性，造成優(yōu)勢基因資源缺失。而異源四倍體相比二倍體多2個染色體組，異源四倍體野生稻具有生物量大、自帶雜種、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)勢。但其具有的非馴化特征，也讓它無法直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
李家洋團(tuán)隊從綜合表現(xiàn)更好的四倍體野生稻出發(fā)，利用現(xiàn)代基因組編輯技術(shù)，將幾千至上萬年的水稻馴化史在短時間內(nèi)“重演”，并且避免了部分基因丟失，首次設(shè)計并完成了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的框架圖，有望培育出產(chǎn)量高、環(huán)境適應(yīng)能力強的新型水稻作物。研究團(tuán)隊突破了基因組解析、高效遺傳轉(zhuǎn)化、高效基因組編輯等技術(shù)瓶頸，在異源四倍體高稈野生稻基因組中注釋了系列馴化基因和重要農(nóng)藝性狀基因，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的多種基因組編輯異源四倍體野生稻材料。
2、“九章”“祖沖之”上新，在兩個物理體系實現(xiàn)量子優(yōu)越性
研發(fā)具有實用價值的量子計算機，一直是量子計算領(lǐng)域最重要的發(fā)展目標(biāo)之一，也是當(dāng)下各國競相角逐的焦點。過去一年，我國在量子計算機研發(fā)領(lǐng)域取得了多項重大進(jìn)展。
2月27日，國際權(quán)威期刊《科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表成果，由國防科技大學(xué)、軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等機構(gòu)研究人員研發(fā)出的一款新型可編程硅基光量子計算芯片，實現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解，有望未來在大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
5月7日，《科學(xué)》雜志發(fā)表中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊研究成果，其成功研制出了量子計算原型機“祖沖之號”，操縱的超導(dǎo)量子比特達(dá)到62個，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。該成果為在超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實現(xiàn)量子優(yōu)越性，以及后續(xù)研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
10月底，潘建偉團(tuán)隊進(jìn)一步研制出了66比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之2.0”，在隨機線路采樣任務(wù)上實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，所完成任務(wù)的難度較2019年Google“懸鈴木”高出2—3個數(shù)量級。
與此同時，潘建偉團(tuán)隊升級版的“九章2.0”也極大提高了其量子優(yōu)勢，對于高斯玻色采樣問題，1年前的“九章”一分鐘可以完成的任務(wù)，世界上最強大的超級計算機需要花費億年時間；而“九章2.0”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機花費的時間要再增加百億倍。并且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。
“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現(xiàn)，使我國成為唯一在兩個物理體系中實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的國家。
3、“中國天眼”迎全球科學(xué)家，3月底開始征集觀測申請
本著開放天空的原則，被譽為“中國天眼”的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）于北京時間2021年3月31日0時起向全世界天文學(xué)家發(fā)出邀約，征集觀測申請，所有國外申請項目統(tǒng)一參加評審。觀測時間從今年8月開始。
中國天眼坐落于貴州省黔南州平塘縣的大窩凼，于2016年落成，是具有自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣，口徑越大接收到的電磁波越多，其靈敏度就越高，探測能力就越強。借此，中國天眼能夠監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號。
通過國家驗收啟動運行以來，中國天眼設(shè)施運行穩(wěn)定可靠，發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已達(dá)到500余顆，并在快速射電暴等研究領(lǐng)域取得重大突破。中國天眼的研制和建設(shè)，不僅體現(xiàn)了我國的自主創(chuàng)新能力，還推動了我國天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機器人、大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。
中國科學(xué)院院士、FAST科學(xué)委員會主任武向平表示，F(xiàn)AST面向全球開放使用，彰顯了充分合作的理念，以及對人類命運共同體理念的實踐。
4、用液氦造出-271℃世界，大型低溫制冷裝備“中國造”
4月15日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱中科院理化所）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，項目成果鑒定專家組認(rèn)為，該項目整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。這標(biāo)志著我國具備了研制液氦溫度（-269℃）千瓦級和超流氦溫度（-271℃）百瓦級大型低溫制冷裝備的能力。
液氦是制造超低溫的“神器”。隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國已成為大型低溫制冷設(shè)備的使用大國。但由于缺乏大型低溫制冷系統(tǒng)、關(guān)鍵子設(shè)備及集成技術(shù)，我國大型低溫制冷裝備長期被國外壟斷，進(jìn)口依賴度高。
2015年12月，中科院理化所開始啟動液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷設(shè)備的研制工作。在幾十年低溫技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，經(jīng)過5年艱苦攻關(guān)，堅持走自主創(chuàng)新道路，最終成功研制出技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)的大型氦制冷機。
5、光存儲時間達(dá)1小時，向量子U盤邁出重要一步
4月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦團(tuán)隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組將光存儲時間提升至1小時，大幅刷新2013年德國團(tuán)隊所創(chuàng)造的光存儲1分鐘的世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤邁出重要一步。該成果于4月下旬發(fā)表于權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。
光已成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕据d體。光速高達(dá)每秒30萬公里，“降低”光速乃至讓光“停留”下來，是國際學(xué)術(shù)界一直不懈奮斗的目標(biāo)。光的存儲在量子通信領(lǐng)域尤其重要，通過將光子儲存在超長壽命的量子存儲器即量子U盤中，實現(xiàn)通過直接運輸量子U盤的方式來傳輸量子信息。而考慮到飛機和高鐵等交通工具的速度，量子U盤的光存儲時間至少需達(dá)到小時量級。
李傳鋒、周宗權(quán)研究組2015年便自制光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，依托該儀器，其精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預(yù)測了一階塞曼效應(yīng)為零（ZEFOZ）磁場下的能級結(jié)構(gòu)。
未來，依靠更加成熟的量子U盤，人類有望實現(xiàn)基于經(jīng)典交通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。
6、“人造太陽”刷新世界紀(jì)錄，實現(xiàn)可重復(fù)1.2億℃燃燒101秒
5月28日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院傳來喜訊，有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）取得新突破，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創(chuàng)造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀(jì)錄，向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。
地球萬物生長所依賴的光和熱，都源于太陽核聚變反應(yīng)后釋放的能量。而支撐這種聚變反應(yīng)的燃料氘，在地球上的儲量極其豐富，足夠人類利用上百億年。如果能夠利用氘制造一個“人造太陽”來發(fā)電，人類則有望徹底實現(xiàn)能源自由。
但制造“人造太陽”面臨一個突出的現(xiàn)實問題：用什么容器來承載核聚變？人工控制條件下等離子體的離子溫度需達(dá)到1億℃以上。而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多℃。這意味著，需要造出一個同時承載大電流、強磁場、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復(fù)雜環(huán)境的裝置，這對工藝設(shè)計和材料提出了極高的要求。
為了達(dá)到聚變實驗裝置所要求的條件，EAST團(tuán)隊的科學(xué)工作者自主創(chuàng)新，自主設(shè)計、研發(fā)了大部分具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)造性地完成了EAST裝置主機的總體工程設(shè)計。世界上新一代全超導(dǎo)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，為未來清潔能源的利用和發(fā)展提供實驗研究平臺。
7、地球模擬裝置啟用，看清地球的過去、現(xiàn)在、未來
6月23日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”在北京懷柔科學(xué)城落成啟用。這是我國研制成功的首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)模擬大科學(xué)裝置。
地球系統(tǒng)模擬裝置，又稱地球模擬實驗室，是對地球系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，即以地球系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用描述地球系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生命過程及其演化的規(guī)律在超級計算機上進(jìn)行大規(guī)?？茖W(xué)計算。科學(xué)家們由此得以重現(xiàn)地球的過去、模擬地球的現(xiàn)在、預(yù)測地球的未來。
此次新落成啟用的地球模擬實驗室整體性能與國際先進(jìn)水平相當(dāng)，是我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)，以地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件為核心，軟、硬件協(xié)同設(shè)計，規(guī)模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。其具備地球表層各圈層的模擬能力，能夠更全面地考慮地球系統(tǒng)的各種過程。尤其是在當(dāng)下最為緊迫的氣候變化應(yīng)對與碳中和領(lǐng)域，該系統(tǒng)能夠全方位關(guān)注全球生態(tài)和生物地球化學(xué)過程及其與氣候系統(tǒng)的相互作用，并在此基礎(chǔ)上建立起“生態(tài)—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”的清晰關(guān)系，對溫室氣體核算、未來升溫預(yù)估提供有力的模擬支撐，助力碳達(dá)峰、碳中和愿景目標(biāo)的實現(xiàn)。并且它還將為我國未來在氣候與環(huán)境領(lǐng)域的談判提供依據(jù)，提升我國的國際話語權(quán)。
8、“冰光纖”問世，既可靈活彎曲又能高效導(dǎo)光
7月9日，權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志發(fā)表的成果顯示，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院童利民教授團(tuán)隊聯(lián)合浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心和美國加州大學(xué)伯克利分校的科研人員，在-50℃環(huán)境中，制備出了高質(zhì)量冰單晶微納光纖。其既能夠靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光，在性能上與玻璃光纖相似。
光纖作為一種將光約束和自由傳輸?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu)，是目前光場操控最有效的工具之一。常規(guī)玻璃光纖的主要成分氧化硅（石英砂），是地殼中含量最豐富的物質(zhì)之一。但實際上，在地球及諸多地外星體中，比石英砂更普遍的物質(zhì)是冰或液態(tài)水。因此用冰制備光纖，具有廣泛的應(yīng)用前景。
本次研究中，童利民團(tuán)隊自行搭建了生長裝置，在大量實驗基礎(chǔ)上，改進(jìn)了已有的電場誘導(dǎo)冰晶制備方法，在低溫高壓電場中，輔之以一定的濕度條件，通過靜電促使水分子朝電場方向運動，改變其無序的運動狀態(tài)，從而誘發(fā)單晶生長。最終在-50℃的環(huán)境中，成功制備出直徑在800納米到10微米的冰單晶微納光纖。并且，該團(tuán)隊還利用新發(fā)明的低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術(shù)，在-150℃的環(huán)境中，使冰微納光纖獲得了10.9%的彈性應(yīng)變，接近冰的理論彈性極限。
童利民認(rèn)為，該項研究結(jié)果將拓展人們對冰的認(rèn)知邊界，激發(fā)人們開展冰基光纖在光傳輸、光傳感、冰物理學(xué)等方面的研究，以及發(fā)展適用于特殊環(huán)境的微納尺度冰基技術(shù)。
9、“甩開”光合作用合成淀粉，節(jié)約資源同時提升生產(chǎn)效率
9月23日，中國科學(xué)院宣布重磅成果。該院天津工業(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。相關(guān)研究成果9月24日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進(jìn)行合成。在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸凵婕?0余步的代謝反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的理論利用效率不超過2%。而農(nóng)作物的種植更是需要數(shù)月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等資源。
為提高生產(chǎn)效率，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物所研究人員從頭設(shè)計了11步主反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。并且在充足能量供給的條件下，按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。
10、證明凱勒幾何核心猜想，解開數(shù)學(xué)界60多年“懸案”
11月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)幾何物理中心創(chuàng)始主任陳秀雄教授與合作者程經(jīng)睿在偏微分方程和復(fù)幾何領(lǐng)域取得里程碑式結(jié)果，其解出了一個四階完全非線性橢圓方程，成功證明強制性猜想和測地穩(wěn)定性猜想這兩個國際數(shù)學(xué)界60多年懸而未決的核心猜想，解決了若干有關(guān)凱勒流形上常標(biāo)量曲率度量和卡拉比極值度量的著名問題。兩篇論文發(fā)表于國際著名刊物《美國數(shù)學(xué)會雜志》。
凱勒流形上常標(biāo)量曲率度量的存在性，是過去60多年來幾何中的核心問題之一。關(guān)于其存在性，有三個著名猜想——穩(wěn)定性猜想、強制性猜想和測地穩(wěn)定性猜想。經(jīng)過近20年來眾多著名數(shù)學(xué)家的工作，強制性猜想和測地穩(wěn)定性猜想中的必要性已變得完全清晰，但其充分性的證明在此之前被認(rèn)為遙不可及。
求出一類四階完全非線性橢圓方程的解，就能證明常標(biāo)量曲率度量的存在性。陳秀雄、程經(jīng)睿的工作恰恰就是在K-能量強制性或測地穩(wěn)定性的假設(shè)下，證明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(tǒng)研究此類方程的方法，為探索未知的數(shù)學(xué)世界提供了一種新工具。此外，他們還給出了環(huán)對稱凱勒流形上穩(wěn)定性猜想的證明，將唐納森在環(huán)對稱凱勒曲面上的經(jīng)典定理推廣到了高維，并對一般穩(wěn)定性猜想的證明提出可能的解決方案，讓一般穩(wěn)定性猜想的完全解決成為可能。
來源：科技日報
