1月19日消息（余予）2022年1月18日，由中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院主辦，中國(guó)科學(xué)院學(xué)部工作局、中國(guó)工程院辦公廳、中國(guó)科學(xué)報(bào)社承辦，中國(guó)科學(xué)院院士和中國(guó)工程院院士投票評(píng)選的2021年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞、世界十大科技進(jìn)展新聞在京揭曉。

從中國(guó)科大獲悉，中國(guó)科大郭光燦團(tuán)隊(duì)的“稀土離子實(shí)現(xiàn)多模式量子中繼及1小時(shí)光存儲(chǔ)”入選2021年度“中國(guó)十大科技進(jìn)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(guó)科學(xué)家觀測(cè)到迄今最高能量光子”與地球和空間科學(xué)學(xué)院空間有效載荷研制團(tuán)隊(duì)參與的“我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功”也同時(shí)入選。

郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組長(zhǎng)期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器研究。2021年，該研究組實(shí)現(xiàn)了一種新型量子中繼架構(gòu)，即基于吸收型存儲(chǔ)的多模式量子中繼；并將相干光的存儲(chǔ)時(shí)間提升至1個(gè)小時(shí)，大幅刷新此前的世界記錄（1分鐘），證實(shí)了光量子U盤的原理可行性。以上成果為遠(yuǎn)程量子通信的實(shí)現(xiàn)提供了基于稀土離子的全新解決方案。

基于吸收型量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)量子中繼的原理示意圖（圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

2001年以來，中國(guó)科大共有24項(xiàng)成果入選中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。

據(jù)了解，“中國(guó)/世界十大科技進(jìn)展新聞”年度評(píng)選活動(dòng)至今已舉辦了28次。評(píng)選結(jié)果經(jīng)新聞媒體廣泛報(bào)道后，在社會(huì)上產(chǎn)生了強(qiáng)烈反響，使公眾進(jìn)一步了解國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展的動(dòng)態(tài)，對(duì)普及科學(xué)技術(shù)起到了積極作用。

以下為2021年十大科技進(jìn)展新聞及2021年世界十大進(jìn)展新聞：

一、2021年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞

01 我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功

6月11日，國(guó)家航天局在京舉行天問一號(hào)探測(cè)器著陸火星首批科學(xué)影像圖揭幕儀式，公布了由祝融號(hào)火星車拍攝的著陸點(diǎn)全景、火星地形地貌、“中國(guó)印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學(xué)影像圖的發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功。

據(jù)悉，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)于2013年全面啟動(dòng)論證，2016年1月批準(zhǔn)立項(xiàng)。2020年7月23日天問一號(hào)探測(cè)器于海南文昌成功發(fā)射，歷經(jīng)地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測(cè)等階段，工程任務(wù)按計(jì)劃順利開展。

02 中國(guó)空間站開啟有人長(zhǎng)期駐留時(shí)代

6月17日和10月16日，神舟十二號(hào)、神舟十三號(hào)載人飛船相繼發(fā)射成功，順利將航天員送入太空。神舟十二號(hào)與天和核心艙對(duì)接形成組合體，3名航天員進(jìn)駐核心艙，進(jìn)行了為期3個(gè)月的駐留，開展了一系列空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，在軌驗(yàn)證了航天員長(zhǎng)期駐留、再生生保、空間物資補(bǔ)給、出艙活動(dòng)、艙外操作、在軌維修等空間站建造和運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵技術(shù)。

神舟十三號(hào)入軌后，與天和核心艙和天舟二號(hào)、天舟三號(hào)組合體完成自主快速交會(huì)對(duì)接，3位航天員開啟為期6個(gè)月的在軌駐留，其間將開展機(jī)械臂操作、出艙活動(dòng)、艙段轉(zhuǎn)位及空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)等工作，進(jìn)一步驗(yàn)證航天員長(zhǎng)期在軌駐留、再生生保等一系列關(guān)鍵技術(shù)，中國(guó)空間站有人長(zhǎng)期駐留時(shí)代到來。

03 我國(guó)實(shí)現(xiàn)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(yè)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(jìn)行。長(zhǎng)期以來，科研人員一直在努力改進(jìn)光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。

中國(guó)科學(xué)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(guó)際上首次實(shí)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，取得原創(chuàng)性突破。相關(guān)研究成果9月24日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

04 我國(guó)團(tuán)隊(duì)?wèi){打破“量子霸權(quán)”的超算應(yīng)用摘得2021年度“戈登貝爾獎(jiǎng)”

11月18日下午于美國(guó)密蘇里州圣路易斯舉行的全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)（SC21）上，國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）將2021年度“戈登貝爾獎(jiǎng)”授予中國(guó)超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)。這支由之江實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家超算無錫中心等單位研究人員組成的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，基于新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬”（SWQSIM）獲此殊榮。

在這項(xiàng)工作中，研究人員引入了一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涵蓋了模擬所需的算法、并行化和系統(tǒng)架構(gòu)。使用新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)有效模擬了一個(gè)深度為10x10 (1+40+1)隨機(jī)量子電路。與谷歌量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”200秒完成百萬0.2%保真度采樣任務(wù)相比較，“頂點(diǎn)”需要一萬年完成同等復(fù)雜度的模擬，該團(tuán)隊(duì)SWQSIM應(yīng)用則可在304秒以內(nèi)得到百萬更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無關(guān)聯(lián)樣本，一舉打破其所宣稱的“量子霸權(quán)”。

05 1400萬億電子伏特 我國(guó)科學(xué)家觀測(cè)到迄今最高能量光子

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的國(guó)際合作組依托國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）”，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個(gè)超高能宇宙線加速器，并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏（PeV，拍=千萬億）的伽馬光子，這是人類迄今觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了銀河系內(nèi)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(cè)時(shí)代。相關(guān)成果5月17日發(fā)表于《自然》。

06 嫦娥五號(hào)樣品重要研究成果先后出爐

10月19日，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布嫦娥五號(hào)月球科研樣品最新研究成果。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)，聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)通過3篇《自然》論文和1篇《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》論文，報(bào)道了圍繞月球演化重要科學(xué)問題取得的突破性進(jìn)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(shù)，對(duì)嫦娥五號(hào)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(jìn)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(dòng)，比以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)延長(zhǎng)了約8億年。

研究顯示，嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖初始熔融時(shí)并沒有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”，嫦娥五號(hào)月球樣品富集“克里普物質(zhì)”的特征，是由于巖漿后期經(jīng)過大量礦物結(jié)晶固化后，殘余部分富集而來。

這一結(jié)果排除了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)巖石的初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動(dòng)過程。據(jù)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(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，為珍貴地外樣品年代學(xué)等研究提供了新的技術(shù)方法。

07 異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化獲得新突破

隨著世界人口的快速增長(zhǎng)，至2050年糧食產(chǎn)量或?qū)⒃黾?0%才能完全滿足需求。與此同時(shí)，近年來世界氣候變化加劇，全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)等都為糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，如何進(jìn)一步提高作物單產(chǎn)成為亟待解決的嚴(yán)峻問題。

中國(guó)科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院/遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)首次提出了異源四倍體野生稻快速?gòu)念^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(chǎn)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。本項(xiàng)研究為未來應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)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(guān)研究成果2月4日發(fā)表于《細(xì)胞》。

08 我國(guó)研發(fā)成功-271℃超流氦大型低溫制冷裝備

4月15日，由中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”通過驗(yàn)收及成果鑒定，標(biāo)志著我國(guó)具備了研制液氦溫度（零下269攝氏度）千瓦級(jí)和超流氦溫度（零下271攝氏度）百瓦級(jí)大型低溫制冷裝備的能力，可滿足大科學(xué)工程、航天工程、氦資源開發(fā)等國(guó)家戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展的迫切需要。

項(xiàng)目的成功實(shí)施，還帶動(dòng)了我國(guó)高端氦螺桿壓縮機(jī)、低溫?fù)Q熱器和低溫閥門等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，使相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從低端到高端的提升，在我國(guó)初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。

09 植物到動(dòng)物的功能基因轉(zhuǎn)移首獲證實(shí)

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍團(tuán)隊(duì)經(jīng)過20年追蹤研究，發(fā)現(xiàn)被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）認(rèn)定的迄今唯一“超級(jí)害蟲”煙粉虱，具有一種類似“以子之矛、攻子之盾”的本領(lǐng)：其從寄主植物那里獲得了防御性基因。這是現(xiàn)代生物學(xué)誕生100多年來，首次研究證實(shí)植物和動(dòng)物之間存在功能性基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

相關(guān)科研成果3月25日在線發(fā)表于《細(xì)胞》，并作為《細(xì)胞》封面文章于4月1日出版。這是我國(guó)農(nóng)業(yè)害蟲研究領(lǐng)域在《細(xì)胞》雜志的首篇論文，揭示了昆蟲如何利用水平轉(zhuǎn)移基因來克服宿主的防御，為探索昆蟲適應(yīng)性進(jìn)化規(guī)律開辟了新的視角，也為新一代靶標(biāo)基因?qū)虻臒煼凼镩g精準(zhǔn)綠色防控技術(shù)研發(fā)提供全新思路。

10 稀土離子實(shí)現(xiàn)多模式量子中繼及1小時(shí)光存儲(chǔ)

量子不可克隆定律賦予了量子通信基于物理學(xué)原理的安全性。而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統(tǒng)的放大器來克服，使得遠(yuǎn)程量子通信成為當(dāng)今量子信息科學(xué)的核心難題之一。量子中繼和可移動(dòng)量子存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信的兩種可行方案，其共性需求是高性能的量子存儲(chǔ)器。

在量子中繼方面，國(guó)際已有實(shí)驗(yàn)研究都聚焦于發(fā)射型存儲(chǔ)器的架構(gòu)，無法同時(shí)滿足確定性發(fā)光和多模式復(fù)用這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需求?？梢苿?dòng)量子存儲(chǔ)方面，國(guó)際上光存儲(chǔ)的時(shí)間最長(zhǎng)僅1分鐘，無法滿足可移動(dòng)量子存儲(chǔ)小時(shí)量級(jí)存儲(chǔ)時(shí)間的需求。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于稀土離子摻雜晶體研制出高性能的固態(tài)量子存儲(chǔ)器，并在上述兩條技術(shù)路線上取得了重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了一種基于吸收型存儲(chǔ)器的多模式量子中繼，并成功將光存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)。相關(guān)成果于4月22日和6月2日分別發(fā)表于《自然—通訊》和《自然》。

二、2021年世界十大科技進(jìn)展新聞

01 全球首個(gè)“自我復(fù)制”的活體機(jī)器人誕生

美國(guó)佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)威斯生物啟發(fā)工程研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用其創(chuàng)造了有史以來第一個(gè)可進(jìn)行自我復(fù)制多代的活體機(jī)器人——Xenobots 3.0。

它僅有毫米大小，既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的動(dòng)物物種，而是一種從未在地球上出現(xiàn)過的、活的、可編程的全新有機(jī)體。據(jù)悉，該活體機(jī)器人或許可以有助于醫(yī)學(xué)的全新突破——除了有望用于精準(zhǔn)的藥物遞送之外，它的自我復(fù)制能力也使得再生醫(yī)學(xué)有了新的幫手，或可為出生缺陷、對(duì)抗創(chuàng)傷、癌癥與衰老提供開創(chuàng)性的解決思路。11月29日，相關(guān)研究成果發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

02 核聚變向“點(diǎn)火”邁進(jìn)一大步

我們?cè)诘厍蛏现阅芸吹疥柟?、感受到溫暖，都是源自于發(fā)生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當(dāng)原子合并在一起時(shí)，釋放出巨大能量的過程，這個(gè)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(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)核聚變并非易事，一個(gè)重大的挑戰(zhàn)就是“點(diǎn)火”（即聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或超過輸入能量的時(shí)刻）。

8月8日，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）進(jìn)行了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)。NIF的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)重現(xiàn)了存在于太陽核心的極端溫度和壓力，NIF的強(qiáng)大的激光脈沖引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，產(chǎn)生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大約相當(dāng)于一輛時(shí)速160公里的汽車的動(dòng)能。

這一能量達(dá)到觸發(fā)該過程的激光脈沖能量的70%，意味著接近核聚變“點(diǎn)火”，即反應(yīng)產(chǎn)生的能量足以使反應(yīng)持續(xù)下去，在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。

03 科學(xué)家借助AI技術(shù)破解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)難題

科學(xué)家們一直希望通過基因序列簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)形狀——如果能夠成功，這將開啟一個(gè)洞察生命運(yùn)作機(jī)理的新世界。美國(guó)華盛頓大學(xué)和英國(guó)DeepMind公司分別公布了多年工作的成果：先進(jìn)的建模程序，可以預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)和一些分子復(fù)合物的精確三維原子結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)放入公開的數(shù)據(jù)庫(kù)免費(fèi)供全球科研人員使用。

據(jù)DeepMind公司報(bào)告顯示，其人工智能程序AlphaFold預(yù)測(cè)出98.5%的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，有助于深入理解一些關(guān)鍵生物學(xué)信息，從而更好開展藥物研發(fā)。而美國(guó)華盛頓大學(xué)創(chuàng)建的高精確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)程序名叫RoseTTAFold，基于深度學(xué)習(xí)，它不僅能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，還能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)之間的結(jié)合形式。僅需十分鐘，RoseTTAFold就能用一臺(tái)游戲電腦準(zhǔn)確計(jì)算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文于7月15日分別刊登于《自然》和《科學(xué)》。

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(dǎo)到特定基因序列的RNA。圖片

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