近几年中国在科技领域的重大突破

2021年已经过去，过去的一年是科技界屡创新高，获得满仓的一年。今年适逢中国共产党成立一百周年，中国科技界取得了许多重要突破。量子计算取得重大进展，使中国成为唯一一个在两个物理系统中实现量子计算优越性的国家；“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”正式面向全球开放，尽显大国风范；二氧化碳合成淀粉的成功为人类的未来提供了一种全新的可能性...

这一年，是科技工作者不断前行的一年。他们对科学真理的追求不屈不挠，不断刷新着人类所能达到的新高度。科技界必将乘着时代的东风再次扬帆起航，奔向更加绚丽多彩的未来。

1.找到水稻的“祖先”，有助于培育更好的水稻品种。

从零开始快速驯化异源四倍体野生稻，充分发挥其多倍体优势，找回当前栽培稻中已经丢失的一些优良基因，培育出产量更高、环境适应性更强的水稻新品种——这一由李佳阳团队和中科院遗传与发育生物学研究所种子创新研究所合作者共同取得的突破性进展，于2月4日发表在国际知名学术期刊《细胞》上。

异源四倍体野生稻的快速从头驯化，中国科学院种子创新研究所/遗传与发育生物学研究所提供

多倍体化是植物进化的重要机制。今天，我们种植的栽培稻经过几千年的驯化，农艺性状不断得到改良，但同时也丧失了大量的遗传多样性，导致优势基因资源的缺失。与二倍体相比，异源四倍体多了两个基因组，异源四倍体野生稻具有生物量大、自交、对环境适应性强等优点。但由于其非驯化特性，不能直接应用于农业生产。

李佳阳团队从综合性能更好的四倍体野生稻出发，利用现代基因组编辑技术，在短时间内“重演”了几千年到几万年的驯化历史，避免了部分基因的丢失。首次设计完成了异源四倍体野生稻快速从头驯化框架图，有望培育出高产、环境适应性强的水稻新作物。研究团队突破了基因组分析、高效遗传转化和高效基因组编辑等技术瓶颈，注释了异源四倍体野生稻基因组中的一系列驯化基因和重要农艺性状基因，成功创造了多种落粒减少、芒长较短、株高较低、粒长较长、茎秆较粗、抽穗期较短的基因组编辑异源四倍体野生稻材料。

2.《九章》、《祖冲之》更新，实现两个物理系统的量子优势。

具有实用价值的量子计算机的研发一直是量子计算领域最重要的发展目标之一，也是目前各国竞争的焦点。在过去的一年里，中国在量子计算机的研发方面取得了许多重大进展。

2月27日，国际权威期刊《科学进展》发表了该成果。由国防科技大学、军事科学院、中山大学等机构研究人员研发的新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了各种图论问题的量子算法求解，未来有望应用于大数据处理等领域。

5月7日，《科学》杂志发表了中国科学技术大学潘建伟团队的研究成果，该团队成功研制出量子计算原型“祖冲之”，操作62个超导量子比特，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。这一成果为在超导量子系统中实现量子优势和进一步研究具有重大实用价值的量子奠定了技术基础。

二维超导量子位芯片示意图，每个橙色十字代表一个量子位。图片:潘建伟团队

10月底，潘建伟团队进一步开发了66位可编程超导量子计算原型“祖冲之2.0”，实现了量子计算在随机线采样任务中的优越性，完成任务的难度比2019年的Google悬铃木高2-3个数量级。

同时，潘建伟团队的“九章2.0”升级版也大幅提升了量子优势。对于高斯玻色采样问题，一年前“九章”一分钟就能完成的任务，世界上最强大的超级计算机需要几亿年；而一分钟完成的“九章2.0”的任务，要花超级计算机百亿倍以上的时间。而《九章2.0》也有一些可编程的能力。

“九章2.0”和“祖冲之2.0”的出现，让中国成为唯一一个在两个物理体系中实现量子计算优越性的国家。

3.“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”迎来科学家，3月底开始征集观测申请。

基于“天空开放空”的原则，被称为“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”的国家重大科技基础设施500米球面射电望远镜，于北京时间2021年3月31日00: 00起向全球天文学家发出邀请，征集观测申请，所有国外申请项目均参与评审。观察时间从今年8月开始。

“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”于3月31日开始向全球天文学家征集观测数据。新华社记者欧摄

位于贵州省黔南州平塘县大窝凼的五百米口径球面射电望远镜(FAST)于2016年建成。它是拥有自主知识产权的世界上最大、最灵敏的射电望远镜。射电望远镜和光学望远镜一样。光圈越大，接收的电磁波越多，灵敏度越高，探测能力越强。这样，五百米口径球面射电望远镜(FAST)就可以监测到宇宙中微弱的无线电信号。

自通过国家验收投入运行以来，五百米口径球面射电望远镜(FAST)中的设施一直稳定可靠地运行，发现的脉冲星数量达到500多颗，在快速射电爆发等研究领域取得了重大突破。五百米口径球面射电望远镜(FAST)的研制和建设不仅体现了我国的自主创新能力，也推动了我国许多高技术领域的发展，如天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大型结构工程、千米级高精度动态测量等。

中国科学院院士、FAST科学委员会主任吴向平表示，FAST向世界开放，展示了充分合作的理念，践行了人类共享未来的共同体理念。

4.-271℃的世界是液氦做的，大型低温制冷设备是“中国制造”

4月15日，由中科院理化技术研究所承担的国家重大研究装备研制项目“从液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收和成果鉴定。项目成果鉴定专家组认为，该项目的整体技术达到了国际先进水平。这标志着我国已经具备研制出千瓦级液氦温度、百瓦级超流氦温度的大型低温制冷设备的能力。

液氦温区国产大型低温制冷系统。图片:中国科学院理化研究所

液氦是制造超低温的“神器”。随着社会经济的快速发展，我国已经成为大型低温制冷设备的使用大国。但由于缺乏大型低温制冷系统、关键设备和集成技术，我国大型低温制冷设备长期被国外垄断，进口依存度较高。

2015年12月，中科院理化所启动了从液氦到超流氦温区的大型低温制冷设备研发。在几十年低温技术积累的基础上，经过5年的艰苦攻关和自主创新，成功研制出技术指标先进的大型氦制冷机。

5.光存储时间长达1小时，向量子u盘迈出重要一步。

4月，中国科学技术大学郭光灿团队的李传峰和周宗权将光存储时间提高到1小时，大大刷新了德国团队在2013年创下的1分钟光存储世界纪录，向量子u盘的实现迈出了重要一步。这一成果于4月下旬发表在权威学术期刊《自然·通讯》上。

资料图。图片:pixabay

光已经成为现代信息传递的基本载体。光速高达每秒30万公里。“降低”光速，甚至“停止”光速，是国际学术界一直努力的目标。光存储在量子通信领域尤为重要。通过将光子存储在具有超长寿命的量子存储器中，即量子u盘中，直接运输量子u盘就可以传输量子信息。考虑到飞机、高铁等交通工具的速度，量子u盘的光存储时间至少要达到小时量级。

李传峰和周宗权研究组在2015年自制了光学拉曼外差探测核磁共振谱仪。依托该仪器，精确刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量，理论预言了零磁场下一级塞曼效应的能级结构。

未来，依靠更加成熟的量子u盘，人类有望实现基于经典交通工具的量子信息传输，从而建立一条全新的量子通道。

6.“人造太阳”创造了新的世界纪录，实现了1.2亿℃的可重复燃烧101秒。

5月28日，中科院合肥物质科学研究所传来好消息。被称为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置取得新突破，成功实现了1.2亿摄氏度101秒、1.6亿摄氏度20秒的可重复等离子体运行，创造了托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能应用迈出了重要一步。

“人造太阳”实现了1.2亿摄氏度101秒，1.6亿摄氏度20秒的可重复等离子体运行。新华社记者周目摄

地球万物生长所依赖的光和热，都来源于太阳核聚变反应释放的能量。支撑这种聚变反应的燃料氘在地球上极其丰富，足够人类使用数百亿年。如果氘可以用来制造“人造太阳”发电，人类有望彻底实现能源自由。

但“人造太阳”的制造面临一个突出的现实问题:用什么容器来承载核聚变？在人为控制的条件下，等离子体的离子温度要达到1亿℃以上。目前地球上最耐热的金属材料钨的熔化温度超过3000℃。这就意味着需要构建一个能够同时承受大电流、强磁场、超高温、超低温、高保真空、高绝缘等复杂环境的器件。，这对工艺设计和材料提出了极高的要求。

为了满足聚变实验装置的要求，EAST团队的科学家自主创新，自主设计开发了大部分具有自主知识产权的关键技术，创造性地完成了EAST装置主机的总体工程设计。世界新一代全超导托卡马克核聚变实验装置在中国率先建成并正式投入运行，为未来清洁能源的利用和发展提供了实验研究平台。

7.地球模拟器能够清楚地看到地球的过去、现在和未来。

6月23日，国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”在北京怀柔科学城建成并投入使用。这是我国研制成功的第一台具有自主知识产权的地球系统模拟科学仪器。

图片:中国科学院大气科学研究所

地球系统模拟器(Earth system simulation laboratory)又称地球模拟实验室，对地球系统进行数值模拟，即以地球系统的观测数据为基础，利用描述地球系统物理、化学和生命过程及其演化的规律，在超级计算机上进行大规模科学计算。科学家可以重现地球的过去，模拟地球的现在，预测地球的未来。

新建成的地球模拟实验室整体性能相当于国际先进水平。是我国第一台具有自主知识产权的专用地球系统数值模拟装置，以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软硬件协同设计，规模和综合技术水平世界领先。它具有模拟地球表层各层的能力，可以更全面地考虑地球系统的各种过程。特别是在最迫切的气候变化响应和碳中和领域，系统可以充分关注全球生态和生物地球化学过程及其与气候系统的相互作用，并在此基础上建立清晰的“生态-温度-二氧化碳浓度-碳排放”关系，这将为温室气体核算和未来变暖预测提供有力的模拟支持，有助于实现二氧化碳排放峰值和碳中和的愿景。也将为中国未来在气候环境领域的谈判提供基础，提升中国的国际话语权。

8.“冰纤维”出来了，可以灵活弯曲，高效导光。

7月9日，权威学术期刊《科学》发表的结果显示，浙江大学光电科学与工程学院童立民教授团队联合浙江大学交叉力学中心和加州大学伯克利分校的研究人员，在-50℃下制备了高质量的冰单晶微纳纤维。可以灵活弯曲，低损耗传输光线，性能上和玻璃纤维差不多。

研究团队制备了直径均匀的冰单晶微纳纤维。照片由受访者提供

光纤作为一种自由约束和传输光的功能结构，是目前操纵光场最有效的工具之一。二氧化硅是传统玻璃纤维的主要成分，是地壳中最丰富的物质之一。但事实上，在地球和许多地外恒星中，比石英砂更常见的物质是冰或液态水。因此，用冰制备光纤具有广阔的应用前景。

在这项研究中，童立民团队自行搭建了一套生长装置，在大量实验的基础上，对现有的电场诱导制备冰晶的方法进行了改进。在低温高压电场中，辅以一定的湿度条件，通过静电促使水分子向电场方向运动，改变其无序运动状态，从而诱导单晶生长。最后，在-50℃的环境下，成功制备了直径为800 nm至10微米的冰单晶微纳纤维。而且团队还利用新发明的低温微纳操控和转移技术，使冰微纳纤维在-150℃获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限。

童利民认为，该研究成果将拓展人们对冰的认知边界，刺激人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理等方面的研究，开发适用于特殊环境的微纳米尺度冰基技术。

9.“开辟”光合合成淀粉，节约资源，提高生产效率。

9月23日，中科院宣布了一项重大成果。该院天津工业生物技术研究所的研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物的光合作用，以电解产生的二氧化碳和氢气为原料，成功生产出淀粉。在世界上首次实现了二氧化碳从头合成淀粉，使淀粉生产从传统的农业种植模式向工业作坊生产模式转变成为可能。相关研究成果于9月24日在线发表在《科学》杂志上。

中国科学家首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉分子的全合成。新华社记者金摄

淀粉主要是绿色植物通过光合作用固定二氧化碳合成的。在玉米等作物中，二氧化碳转化为淀粉涉及60多个代谢反应和复杂的生理调节，太阳能的理论利用效率不到2%。然而，作物的种植需要几个月的时间，使用大量的土地、淡水、肥料和其他资源。

为了提高生产效率，中国科学院天津工业生物研究所的研究人员从零开始设计了11个主要反应的非自然二氧化碳固定和人工淀粉合成新方法，并在实验室首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的完全合成。这种人工方式合成淀粉的速度是玉米淀粉的8.5倍。在能源供应充足的情况下，按照目前的技术参数，理论上1立方米生物反应器的淀粉年产量相当于我国5亩土地种植玉米的平均年产量。

10.证明凯勒几何核心猜想，解决60多年来数学中的“悬案”。

11月初，中国科学技术大学几何物理中心创始主任陈秀雄教授及其合作者程在偏微分方程和复几何领域取得了里程碑式的成果。他们求解了一个四阶完全非线性椭圆方程，成功证明了国际数学界60多年来一直悬而未决的两个核心猜想——强制猜想和测地线稳定性猜想，解决了Keller流形上关于常数量曲率度量和Calabi极值度量的一些著名问题。两篇论文发表在国际著名期刊《美国数学会学报》上。

Keller流形上常数量曲率度量的存在性是近60年来几何学中的核心问题之一。关于它的存在性有三个著名的猜想——稳定性猜想、强制猜想和测地线稳定性猜想。经过近20年来许多著名数学家的工作，强制猜想和测地稳定性猜想的必要性已经完全明确，但其充分性的证明以前被认为遥不可及。

常数量曲率测度的存在性可以通过求解一类四阶完全非线性椭圆方程来证明。陈秀雄和程的工作只是在K-能量是强制的或测地稳定的假设下证明了这类方程解的存在性。他们不仅找到了方程的解，还建立了一套系统研究这类方程的方法，为探索未知的数学世界提供了新的工具。此外，他们还证明了循环对称Keller流形上的稳定性猜想，将循环对称Keller曲面上的Donaldson经典定理推广到高维，并提出了广义稳定性猜想证明的可能解法，使广义稳定性猜想的完全解决成为可能。

来源:科技日报