勇攀高峰創佳績

2021年是中國共產黨成立100周年，也是我國科技界不斷取得突破的一年。科技工作者們在追尋真理的道路上百折不撓，不斷刷新著人類前所未有的高度。

《科技日報》于2021年底總結了過去一年我國科技領域的十大重大突破，讓我們一起去看看都有哪些研究上榜。

找回水稻“祖先”基因

多倍化是植物進化的重要機制。如今，人們種植的栽培稻經過了數千年的人工馴化，雖然其農藝性狀不斷改良，但也損失了遺傳多樣性，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，其野生稻具有生物量大、自帶雜種、環境適應能力強等優勢，但其具有的非馴化特征也讓它無法直接應用于農業生產。

植物基因組學國家重點實驗室李家洋團隊利用現代基因組編輯技術，讓幾千至上萬年的水稻馴化史在短時間內“重演”，并且避免了部分基因丟失，首次完成了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的框架圖，有望培育出產量高、環境適應能力強的新型水稻作物。

小編漫談：當前，全球耕地面積不斷減少、人口不斷增加等因素，導致人類糧食安全問題日益嚴峻。如何結合現有作物馴化的機理及其性狀遺傳改良基礎馴化出新型作物，是關系糧食安全的關鍵因素。

李家洋團隊的研究成果標志著異源四倍體野生稻從頭馴化初步成功，不僅證明了快速將異源四倍體野生稻培育成為未來主糧作物的可行性，也為培養新型作物提供了重要參考。

“九章”“祖沖之”量子計算機上新

過去一年，中國科學技術大學潘建偉團隊在量子計算機研發領域取得了多項重大進展。

2021年5月7日，潘建偉團隊發表研究成果，宣告他們成功研制出量子計算原型機“祖沖之號”。該成果為在超導量子系統上實現量子優越性，以及對后續研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術基礎。2021年10月底，潘建偉團隊進一步研制出66比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”。

同時，潘建偉團隊研發的升級版“九章二號”也極大提高了其量子優勢，還具有了部分可編程的能力。

“九章二號”和“祖沖之二號”的出現，使我國成為唯一在兩個物理體系中實現量子計算優越性的國家。

小編漫談：量子計算機與平常我們所說的“電腦”差別很大。首先，二者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會被轉換成1和0，再進行傳輸、運算與存儲。而量子計算機則以量子的狀態作為計算形式。

目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，比如“九章”就是光量子計算原型機。實驗結果顯示，“九章”處理特定問題的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，同時也等效地比谷歌此前發布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍，成功到達了量子計算領域的第一個里程碑——量子計算優越性。

“中國天眼”迎接全球科學家

北京時間2021年3月31日0時，“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）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。

2016年落成的“中國天眼”坐落于貴州省黔南州平塘縣的大窩凼，是具有自主知識產權、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“監聽”到宇宙中微弱的射電信號。

小編漫談：目前，FAST年觀測時長超過5300小時，已遠超國際同行預期的工作效率。據介紹，相關機構正在醞釀拿出FAST 1%的觀測時間向全國中小學生開放，由科學家帶領孩子們探索太空的奧秘。

大型低溫制冷裝備“中國造”

液氦到超流氦溫區大型低溫制冷裝備是航空航天、國家大科學裝置等戰略領域不可或缺的核心基礎。多年來，我國大型低溫制冷裝備全部依賴進口，大大限制了相關領域的發展。

2021年4月15日，中國科學院理化技術研究所承擔的“液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統研制”項目通過驗收及成果鑒定，標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。

小編漫談：在我國，氦的液化技術在新中國成立后還未起步。當時，低溫物理實驗重要的設備——氦液化機在國內根本無法買到，而具有氦液化機生產能力的國家都禁止企業將機器賣給中國。面對困境，我國著名物理學家、中國低溫物理與低溫技術研究的創始人之一洪朝生決定自己設計氦液化機，通過多次設計、研制、安裝、調試后，于1959年4月3日制備出我國第一瓶液氦。

讓光“停留”1小時

光已成為現代信息傳輸的基本載體，對光的捕獲及存儲可以幫助人們更有效地利用光場。光速高達每秒30萬千米，“降低”光速乃至讓光“停留”是國際學術界不懈奮斗的目標。

光的存儲在量子通信領域尤其重要，可通過將光子儲存在超長壽命的量子存儲器（量子U盤）中，實現通過直接運輸量子U盤的方式來傳輸量子信息。

1999年，美國哈佛大學團隊利用冷原子氣體把光速降至17米/秒。2013年，德國達姆施塔特工業大學團隊利用摻鐠硅酸釔晶體使光停留了1分鐘，創下該領域的世界紀錄，然而這一時長仍遠低于量子U盤小時量級的技術需求。

中國科學技術大學李傳鋒、周宗權研究組長期致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲實驗研究。通過一系列分析和實驗，他們成功將光存儲時間從分鐘量級推進至小時量級，滿足了量子U盤對光存儲壽命指標的基本需求。

小編漫談：光不僅能照明，也是重要的信息媒介。這是因為光是一種電磁波，就像手機發射的微波信號和收音機的無線電波一樣，光作為電磁波同樣可以承載信息。

我們常見的CD-ROM等光盤就是利用光進行信息存儲的典型例子。但所謂的光存儲，其實并非儲存光本身，而是儲存了一系列可用光來讀取的圖案（信息）。

“人造太陽”刷新世界紀錄

地球上萬物生長所依賴的光和熱都源于太陽核聚變反應后釋放的能量，而支撐這種聚變反應的燃料氘，在地球上的儲量極其豐富。如果能利用氘制造一個“人造太陽”來發電，人類就有望徹底實現能源自由。

但制造“人造太陽”面臨一個突出的現實問題：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到1億攝氏度以上，而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。

為了達到聚變實驗裝置所要求的條件，我國科學工作者自主設計研發了全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。2021年5月28日，EAST成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創造了新的世界紀錄。

小編漫談：“人造太陽”為什么重要？這是因為核聚變具有資源無限、清潔環保、不產生高放射性核廢料等優點，是目前人類已知的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。

地球系統數值模擬裝置啟用

2021年6月23日，國家重大科技基礎設施“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學城落成并啟用。這是我國研制成功的首個具有自主知識產權的地球系統模擬大科學裝置。

地球系統數值模擬裝置又稱地球模擬實驗室，是以地球系統觀測數據為基礎，研究地球系統的大氣圈、水圈、冰凍圈等的物理、化學、生物過程及其相互作用，并通過智能推演分析，探究上述相互作用對地球系統整體和我國區域環境的影響。

小編漫談：地球系統數值模擬裝置的中文名為“寰”。“寰”具有一雙“慧眼”。它對全球大氣和陸面模擬推演的水平分辨率達到25千米，對海洋和海冰模擬推演的水平分辨率達到10千米。在中國及周邊區域，“寰”對環境模擬推演的水平分辨率達到3千米，重點區域達到1千米。

能高效導光的“冰光纖”問世

2021年7月9日，浙江大學光電科學與工程學院、現代光學儀器國家重點實驗室童利民教授團隊在權威學術期刊《科學》雜志上發表了自己的研究成果，他們在-50 ℃環境中制備出了高質量冰單晶微納光纖。這種光纖既能靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光，在性能上與玻璃光纖相似。

該項研究結果將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、冰物理學等方面的研究，以及發展適用于特殊環境的微納尺度冰基技術。

小編漫談：光纖就是傳送光信號的管道。光在光纖中的傳播過程和彈丸在管道中的傳播過程一樣，都是通過不停反射，曲折地向前運行。所以光纖越細，光在其中傳播的損耗越小。

目前常見的玻璃光纖中的玻璃加熱后有黏性，這會影響形成光纖的直徑，所以特別細的光纖不能用玻璃來做。

童利民教授研究團隊改進了已有的電場誘導冰晶制備方法，自行搭建生長裝置，讓其生長出直徑從800納米到10微米的高質量冰單晶微納光纖。它們不再像普通的冰塊那樣堅硬易碎，而是可以靈活彎曲，這就讓其有了光纖般傳輸和操控光的能力。

從二氧化碳到淀粉

淀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，將二氧化碳轉變為淀粉涉及60余步的代謝反應和復雜的生理調控，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。

為提高生產效率，中國科學院天津工業生物所研究人員設計了11步主反應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。

小編漫談：在外觀上，人工合成淀粉跟從玉米、薯類等農作物中提純出來的淀粉是一樣的。在口感上，如果把人工合成淀粉做成面條，可能會像意大利面那樣筋道。

自然淀粉一般由直鏈淀粉和支鏈淀粉混合組成。直鏈淀粉可溶于熱水，分子量比支鏈淀粉小;支鏈淀粉不溶于冷水，與熱水作用會形成漿糊，分子量比直鏈淀粉大。

目前實驗室里合成的主要是直鏈淀粉，合成的支鏈淀粉沒有自然淀粉中的支鏈淀粉那么復雜。

證明凱勒幾何核心猜想

凱勒流形上常標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。近20年來，經過眾多數學家的努力，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是遙不可及的。

求出一類四階完全非線性橢圓方程的解，就能證明常標量曲率度量的存在性。中國科學技術大學陳秀雄、程經睿的工作就是在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。

小編漫談：除了以上成果，陳秀雄教授還與其他合作者一道解決了多個著名猜想。如2020年，陳秀雄和王兵發表的關于高維凱勒里奇流收斂性的論文表明，他們率先攻克了“哈密爾頓-田”猜想和“偏零階估計”猜想，這些均為幾何分析領域20余年來懸而未決的核心猜想。