2021年已經步入尾聲
過去的一年
是科技界屢創新高、收獲滿倉的一年
這一年
恰逢中國共産黨百年華誕
我國科技界更是取得多項重要突破
量子計算獲得重大進展
使我國成為唯一在兩個實體體系中
實作量子計算優越性的國家
“中國天眼”正式向全世界開放
盡顯大國風度
成功實作二氧化碳人工合成澱粉
為人類未來提供了全新的可能……
地球模拟裝置啟用
看清地球的過去、現在、未來
6月23日
國家重大科技基礎設施
“地球系統數值模拟裝置”
在北京懷柔科學城落成啟用
這是我國研制成功的
首個具有自主知識産權的
地球系統模拟大科學裝置
圖檔來源：中科院大氣所
地球系統模拟裝置
又稱地球模拟實驗室
是對地球系統進行數值模拟
即以地球系統觀測資料為基礎
利用描述地球系統的實體、化學
和生命過程及其演化的規律
在超級計算機上進行大規模科學計算
科學家們由此得以重制地球的過去
模拟地球的現在、預測地球的未來
此次新落成啟用的地球模拟實驗室
整體性能與國際先進水準相當
是我國首個具有自主知識産權
以地球系統各圈層數值模拟軟體為核心
軟、硬體協同設計
規模及綜合技術水準
位于世界前列的專用地球系統數值模拟裝置
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
最為緊迫的氣候變化應對與碳中和領域
該系統能夠全方位關注全球生态
和生物地球化學過程
及其與氣候系統的互相作用
并在此基礎上建立起
“生态—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”
的清晰關系
對溫室氣體核算、未來升溫預估
提供有力的模拟支撐
助力碳達峰、碳中和願景目标的實作
并且它還将為我國未來在氣候與環境領域的
談判提供依據
網友：這也太厲害了
“冰光纖”問世
既可靈活彎曲又能高效導光
7月9日
權威學術期刊《科學》雜志發表的成果顯示
浙江大學光電科學與工程學院童利民教授團隊
聯合浙江大學交叉力學中心
和美國加州大學伯克利分校的科研人員
在-50℃環境中
制備出了高品質冰單晶微納光纖
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
研究團隊制備的直徑均勻的冰單晶微納光纖。受訪者供圖
光纖作為一種将光限制
和自由傳輸的功能結構
是目前光場操控最有效的工具之一
正常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
但實際上
在地球及諸多地外星體中
比石英砂更普遍的物質是冰或液态水
是以用冰制備光纖
具有廣泛的應用前景
本次研究中
童利民團隊自行搭建了生長裝置
在大量實驗基礎上
改進了已有的電場誘導冰晶制備方法
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态
進而誘發單晶生長
最終在-50℃的環境中
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，該團隊還利用
新發明的低溫微納操控和轉移技術
在-150℃的環境中
使冰微納光纖獲得了10.9%的彈性應變
接近冰的理論彈性極限
童利民認為
該項研究結果将拓展人們對冰的認知邊界
激發人們開展冰基光纖在光傳輸
光傳感、冰實體學等方面的研究
以及發展适用于特殊環境的微納尺度冰基技術
“九章”“祖沖之”上新
在兩個實體體系實作量子優越性
研發具有實用價值的量子計算機
一直是量子計算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
我國在量子計算機研發領域
取得了多項重大進展
2月27日
國際權威期刊《科學進展》發表成果
由國防科技大學、軍事科學院
中山大學等機構研究人員
研發出的一款新型
可程式設計矽基光量子計算晶片
實作了多種圖論問題的量子算法求解
有望未來在大資料處理等領域獲得應用
5月7日
《科學》雜志發表
中國科學技術大學潘建偉團隊研究成果
其成功研制出了量子計算原型機“祖沖之号”
操縱的超導量子比特達到62個
并在此基礎上實作了可程式設計的二維量子行走
該成果為在超導量子系統上
實作量子優越性
以及後續研究具有重大實用價值的量子計算
奠定了技術基礎
二維超導量子比特晶片示意圖, 每個橘色十字代表一個量子比特。圖檔來源：潘建偉團隊
10月底
潘建偉團隊進一步研制出了
66比特的可程式設計超導量子計算原型機
“祖沖之2.0”
在随機線路采樣任務上
實作了量子計算優越性
所完成任務的難度較2019年谷歌“懸鈴木”
高出2—3個數量級
與此同時
潘建偉團隊更新版的“九章2.0”
也極大提高了其量子優勢
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
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
超級計算機花費的時間
要再增加百億倍
并且“九章2.0”還具有了部分可程式設計的能力
“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現
光存儲時間達1小時
向量子U盤邁出重要一步
2021年4月
中國科學技術大學郭光燦團隊
李傳鋒、周宗權研究組
将光存儲時間提升至1小時
大幅重新整理2013年德國團隊所創造的
光存儲1分鐘的世界紀錄
向實作量子U盤邁出重要一步
該成果于4月下旬
發表于權威學術期刊《自然·通訊》
資料圖。圖檔來源：pixabay
光已成為現代資訊傳輸的基本載體
光速高達每秒30萬公裡
“降低”光速乃至讓光“停留”下來
是國際學術界一直不懈奮鬥的目标
光的存儲在量子通信領域尤其重要
通過将光子儲存在
超長壽命的量子存儲器即量子U盤中
實作通過直接運輸量子U盤的方式
來傳輸量子資訊
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
至少需達到小時量級
在2015年便自制光學拉曼外差探測核磁共振譜儀
依托該儀器
其精确刻畫了
摻铕矽酸钇晶體光學躍遷的完整哈密頓量
并在理論上預測了
一階塞曼效應為零（ZEFOZ）
磁場下的能級結構
未來
依靠更加成熟的量子U盤
人類有望實作
基于經典交通運輸工具的量子資訊傳輸
進而建立起一種全新的量子信道
找回水稻“祖先”基因
有助培育更優秀的水稻品種
快速從頭馴化異源四倍體野生稻
發揮多倍體優勢
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
環境适應能力更強的新型水稻作物
——中國科學院種子創新研究院
遺傳與發育生物學研究所
李家洋團隊與合作者的這項突破性進展
2月4日在國際知名學術期刊《細胞》發表
異源四倍體野生稻的快速從頭馴化，中國科學院種子創新研究院/遺傳與發育生物學研究所供圖
多倍化是植物進化的重要機制
今天我們所種植的栽培稻
經過了數千年的人工馴化
其農藝性狀不斷改良
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
環境适應能力強等優勢
但其具有的非馴化特征
也讓它無法直接應用于農業生産
李家洋團隊從綜合表現
更好的四倍體野生稻出發
利用現代基因組編輯技術
将幾千至上萬年的水稻馴化史
在短時間内“重演”
并且避免了部分基因丢失
首次設計并完成了異源四倍體野生稻
快速從頭馴化的架構圖
有望培育出産量高
環境适應能力強的新型水稻作物
研究團隊突破了基因組解析
高效遺傳轉化、高效基因組編輯等技術瓶頸
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藝性狀基因
成功創制了落粒性降低、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
“中國天眼”迎全球科學家
3月底開始征集觀測申請
本着開放天空的原則
被譽為“中國天眼”的國家重大科技基礎設施
500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）
于中原標準時間2021年3月31日0時起
向全世界天文學家發出邀約
征集觀測申請
所有國外申請項目統一參加評審
觀測時間從今年8月開始
“中國天眼”3月31日起向全球天文學家征集觀測申請。新華社記者 歐東衢 攝
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
是具有自主知識産權
世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡
射電望遠鏡與光學望遠鏡一樣
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
中國天眼能夠監聽到宇宙中微弱的射電信号
通過國家驗收啟動運作以來
中國天眼設施運作穩定可靠
發現的脈沖星數量已達到500餘顆
并在快速射電暴等研究領域取得重大突破
中國天眼的研制和建設
不僅展現了我國的自主創新能力
還推動了我國天線制造技術
微波電子技術、并聯機器人、大尺度結構工程
公裡範圍高精度動态測量等
衆多高科技領域的發展
中國科學院院士、FAST科學委員會主任
武向平表示
FAST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
用液氦造出-271℃世界
大型低溫制冷裝備“中國造”
4月15日
中國科學院理化技術研究所
（以下簡稱中科院理化所）
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
項目成果鑒定專家組認為
該項目整體技術達到國際先進水準
這标志着我國具備了
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
國産化液氦溫區大型低溫制冷系統。圖檔來源：中科院理化所
液氦是制造超低溫的“神器”
随着社會經濟的高速發展
我國已成為大型低溫制冷裝置的使用大國
但由于缺乏大型低溫制冷系統
關鍵子裝置及內建技術
我國大型低溫制冷裝備長期被國外壟斷
進口依賴度高
2015年12月
中科院理化所開始啟動液氦
到超流氦溫區大型低溫制冷裝置的研制工作
在幾十年低溫技術積累的基礎上
經過5年艱苦攻關
堅持走自主創新道路
最終成功研制出技術名額先進的大型氦制冷機
“人造太陽”重新整理世界紀錄
實作可重複1.2億℃燃燒101秒
5月28日
中國科學院合肥物質科學研究院傳來喜訊
有“人造太陽”之稱的
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）
取得新突破
成功實作可重複的1.2億攝氏度101秒
和1.6億攝氏度20秒等離子體運作
創造托卡馬克實驗裝置運作新的世界紀錄
向核聚變能源應用邁出重要一步
“人造太陽”實作可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運作。新華社記者 周牧 攝
地球萬物生長所依賴的光和熱
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”來發電
人類則有望徹底實作能源自由
但制造“人造太陽”
面臨一個突出的現實問題
用什麼容器來承載核聚變？
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℃
這意味着
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、高絕緣等複雜環境的裝置
這對工藝設計和材料提出了極高的要求
為了達到聚變實驗裝置所要求的條件
EAST團隊的科學工作者自主創新
自主設計、研發了大部分
具有自主知識産權的關鍵技術
創造性地完成了EAST裝置主機的總體工程設計
世界上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作
為未來清潔能源的利用和發展
提供實驗研究平台
“甩開”光合作用合成澱粉
節約資源同時提升生産效率
9月23日
中國科學院宣布重磅成果
該院天津工業生物技術研究所研究人員
提出了一種颠覆性的澱粉制備方法
不依賴植物光合作用
以二氧化碳、電解産生的氫氣為原料
成功生産出澱粉
在國際上首次實作了
二氧化碳到澱粉的從頭合成
使澱粉生産從傳統農業種植模式
向工業工廠中的房間生産模式轉變成為可能
相關研究成果9月24日線上發表于《科學》雜志
中國科學家在實驗室中首次實作從二氧化碳到澱粉分子的全合成。新華社記者 金立旺 攝
澱粉主要由綠色植物通過光合作用
固定二氧化碳進行合成
在玉米等農作物中
将二氧化碳轉變為澱粉涉
及60餘步的代謝反應和複雜的生理調控
太陽能的理論利用效率不超過2%
而農作物的種植更是需要數月的周期
使用大量的土地、淡水、肥料等資源
為提高生産效率
中國科學院天津工業生物所研究人員
從頭設計了11步主反應的
非自然二氧化碳固定與人工合成澱粉新途徑
在實驗室中首次實作了
從二氧化碳到澱粉分子的全合成
這一人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
按照目前的技術參數推算
理論上1立方米大小的生物反應器年産澱粉量
相當于我國5畝土地玉米種植的平均年産量
證明凱勒幾何核心猜想
解開數學界60多年“懸案”
11月初
中國科學技術大學幾何實體中心
創始主任陳秀雄教授與合作者程經睿
在偏微分方程和複幾何領域
取得裡程碑式結果
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
和測地穩定性猜想
這兩個國際數學界60多年
懸而未決的核心猜想
解決了若幹有關凱勒流形上常标量曲率度量
和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《美國數學會雜志》
幾何實體中心創始主任陳秀雄教授（中）與程經睿（左）在一起。安徽網 陶冬青 攝
凱勒流形上常标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
關于其存在性有三個著名猜想
穩定性猜想、強制性猜想和測地穩定性猜想
經過近20年來衆多著名數學家的工作
強制性猜想和測地穩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
就能證明常标量曲率度量的存在性
陳秀雄、程經睿的工作
恰恰就是在K-能量強制性
或測地穩定性的假設下
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研究此類方程的方法
為探索未知的數學世界提供了一種新工具
此外，他們還給出了
環對稱凱勒流形上穩定性猜想的證明
将唐納森在環對稱凱勒曲面上的
經典定理推廣到了高維
并對一般穩定性猜想的證明
提出可能的解決方案
讓一般穩定性猜想的完全解決成為可能
我國科技界
取得的多項重要突破
離不開那些默默鑽研付出的人
緻敬中國科研工作者！
來源：共青團中央