2022年1月18日,由中國科學院、中國工程院主辦,中國科學院學部工作局、中國工程院辦公廳、中國科學報社承辦,中國科學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 我國科學家觀測到迄今最高能量光子”與地球和空間科學學院空間有效載荷研制團隊參與的“我國首次火星探測任務取得圓滿成功”也同時入選。

郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組長期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲器研究。2021年,該研究組實現了一種新型量子中繼架構,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。以上成果為遠程量子通信的實現提供了基于稀土離子的全新解決方案。

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。評選結果經新聞媒體廣泛報道后,在社會上產生了強烈反響,使公眾進一步了解國內外科技發展的動態,對普及科學技術起到了積極作用。

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。首批科學影像圖的發布,標志著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

據悉,我國首次火星探測任務于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射,歷經地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等階段,工程任務按計劃順利開展。

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實驗和技術試驗,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鍵技術。

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、艙段轉位及空間科學實驗與技術試驗等工作,進一步驗證航天員長期在軌駐留、再生生保等一系列關鍵技術,中國空間站有人長期駐留時代到來。

03 我國實現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化速率和光能的利用效率,最終提升淀粉的生產效率。

中國科學院天津工業生物技術研究所研究人員提出了一種顛覆的淀粉制備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,成功生產出淀粉,在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成,使淀粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能,取得原創突破。相關研究成果9月24日在線發表于《科學》雜志。

04 我國團隊憑打破“量子霸權”的超算應用摘得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,國際計算機協會(ACM)將2021年度“戈登貝爾獎”授予中國超算應用團隊。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合科研團隊,基于新一代神威超級計算機的應用“超大規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的設計過程,涵蓋了模擬所需的算法、并行化和系統架構。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%保真度采樣任務相比較,“頂點”需要一萬年完成同等復雜度的模擬,該團隊SWQSIM應用則可在304秒以內得到百萬更高保真度的關聯樣本,在一星期內得到同樣數量的無關聯樣本,一舉打破其所宣稱的“量子霸權”。

05 1400萬億電子伏特 我國科學家觀測到迄今最高能量光子

中國科學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設施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”,在銀河系內發現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認知,揭示了銀河系內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。相關成果5月17日發表于《自然》。

06 嫦娥五號樣品重要研究成果先后出爐

10月19日,中國科學院發布嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果。中國科學院地質與地球物理研究所和國家天文臺主導,聯合多家研究機構通過3篇《自然》論文和1篇《國家科學評論》論文,報道了圍繞月球演化重要科學問題取得的突破進展。

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,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”,嫦娥五號月球樣品富集“克里普物質”的特征,是由于巖漿后期經過大量礦物結晶固化后,殘余部分富集而來。

這一結果排除了嫦娥五號著陸區巖石的初始巖漿熔融熱源來自放射生熱元素的主流假說,揭示了月球晚期巖漿活動過程。據悉,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處于國際領先水,為珍貴地外樣品年代學等研究提供了新的技術方法。

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年糧食產量或將增加50%才能完全滿足需求。與此同時,年來世界氣候變化加劇,全球氣候變暖、極端天氣頻發等都為糧食安全帶來了巨大挑戰。在此背景下,如何進一步提高作物單產成為亟待解決的嚴峻問題。

中國科學院種子創新研究院/遺傳與發育生物學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量并增加作物環境變化適應。本項研究為未來應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。相關研究成果2月4日發表于《細胞》。

08 我國研發成功-271℃超流氦大型低溫制冷裝備

4月15日,由中國科學院理化技術研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統研制”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,可滿足大科學工程、航天工程、氦資源開發等國家戰略高技術發展的迫切需要。

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的快速發展,提高了一批高科技制造企業的核心競爭力,使相關技術實現了從無到有、從低端到高端的提升,在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產業群。

09 植物到動物的功能基因轉移首獲證實

中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊經過20年追蹤研究,發現被聯合國糧農組織(FAO)認定的迄今唯一“超級害蟲”粉虱,具有一種類似“以子之矛、攻子之盾”的本領:其從寄主植物那里獲得了防御基因。這是現代生物學誕生100多年來,首次研究證實植物和動物之間存在功能基因水轉移現象。

相關科研成果3月25日在線發表于《細胞》,并作為《細胞》封面文章于4月1日出版。這是我國農業害蟲研究領域在《細胞》雜志的首篇論文,揭示了昆蟲如何利用水轉移基因來克服宿主的防御,為探索昆蟲適應進化規律開辟了新的視角,也為新一代靶標基因導向的粉虱田間精準綠色防控技術研發提供全新思路。

10 稀土離子實現多模式量子中繼及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原理的安全。而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統的放大器來克服,使得遠程量子通信成為當今量子信息科學的核心難題之一。量子中繼和可移動量子存儲是實現遠程量子通信的兩種可行方案,其共需求是高能的量子存儲器。

量子中繼方面,國際已有實驗研究都聚焦于發射型存儲器的架構,無法同時滿足確定發光和多模式復用這兩個關鍵技術需求??梢苿?span class="keyword">量子存儲方面,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。

中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組基于稀土離子摻雜晶體研制出高能的固態量子存儲器,并在上述兩條技術路線上取得了重要進展,實現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。相關成果于4月22日和6月2日分別發表于《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“自我復制”的活體機器人誕生

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

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

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,都是源自于發生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當原子合并在一起時,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,想在實驗室里實現核聚變并非易事,一個重大的挑戰就是“點火”(即聚變反應所產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的科學家團隊重現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了燃料丸的核聚變爆炸,產生了1.35兆焦耳(MJ)能量——大約相當于一輛時速160公里的汽車的動能。

這一能量達到觸發該過程的激光脈沖能量的70%,意味著接核聚變“點火”,即反應產生的能量足以使反應持續下去,在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。

03 科學家借助AI技術破解蛋白質結構預測難題

科學家們一直希望通過基因序列簡單地預測蛋白質形狀——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,可以預測蛋白質和一些分子復合物的精確三維原子結構,并將這些結構放入公開的數據庫免費供全球科研人員使用。

據DeepMind公司報告顯示,其人工智能程序AlphaFold預測出98.5%的人類蛋白質結構,有助于深入理解一些關鍵生物學信息,從而更好開展藥物研發。而美國華盛頓大學創建的高精確的蛋白質結構預測程序名叫RoseTTAFold,基于深度學,它不僅能預測蛋白質的結構,還能預測蛋白質之間的結合形式。僅需十分鐘,RoseTTAFold就能用一臺游戲電腦準確計算出蛋白質結構。相關論文于7月15日分別刊登于《自然》和《科學》。

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和另一種將其引導到特定基因序列的RNA。(余予)

標簽: 中國科大 共有24項成果 中國十大科技 進展新聞