【光明日報】科學大咖帶你看懂2017年度中國科學十大進展

①「墨子號」衛星實現千公裡級量子糾纏分發。圖片由科技部提供

②由兩個粲夸克和一個上夸克組成的雙粲重子。圖片由科技部提供

③三重簡併費米子(右)與四重簡併狄拉克費米子(左)和兩重簡併外爾費米子(中)。圖片由科技部提供

④許昌人一號(右)和許昌人二號(左)頭骨化石。圖片由科技部提供

⑤許昌人在現代人進化中的位置（單位Ma為百萬年） 圖片由科技部提供

　　圖⑥左：質量僅為2.2克的可佩戴式雙光子螢光顯微鏡。圖⑦右：科學家利用雙光子螢光顯微鏡觀察小鼠大腦。圖片由科技部提供

　　科技部2月27日在北京公布了「2017年度中國科學十大進展」：實現星地千公裡級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態；將病毒直接轉化為活疫苗及治療性藥物；首次探測到雙粲重子；實驗發現三重簡併費米子；實現氫氣的低溫製備和存儲；研發出基於共格納米析出強化的新一代超高強鋼；利用量子相變確定性製備出多粒子糾纏態；中國發現新型古人類化石；酵母長染色體的精準定製合成；研製出可實現自由狀態腦成像的微型顯微成像系統。

　　科技部基礎研究管理中心主任劉敏表示，入選的十大進展項目完成時間為2016年12月1日至2017年11月30日，絕大多數入選項目相關研究成果在《自然》《科學》等國際頂尖刊物發表，得到國際學術界高度評價，被視為「重大突破」或「填補空白」。

　　據介紹，「中國科學十大進展」遴選活動由科技部基礎研究管理中心牽頭，聯合《中國基礎科學》《科技導報》《中國科學院院刊》《中國科學基金》和《科學通報》5家刊物編輯部共同組織，邀請中國科學院院士、中國工程院院士、973計劃項目首席科學家等專家進行評選，至今已經成功舉辦13屆。遴選活動分推薦、初選和終選3個環節。其中，終選採取網上投票，邀請兩院院士、973計劃顧問組和諮詢組專家、973計劃項目首席科學家、國家重點實驗室主任等2200餘名專家學者對30項候選科學進展進行投票，得票數排名前10位的科學進展最終入選「2017年度中國科學十大進展」。

　　為促進公眾更好地理解和支持基礎研究，科技部基礎研究司、科技部基礎研究管理中心當日在北京舉辦「2017年度中國科學十大進展專家解讀會」，邀請清華大學薛其坤院士、中國科學院物理研究所向濤院士、中國科學院理論物理研究所張肇西院士等10位專家對十大進展進行了解讀。

　　1.實現星地千公裡級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態

　　中國科學技術大學潘建偉和彭承志研究組聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組等，創新性地突破了包括天地雙向高精度光跟瞄、空間高亮度量子糾纏源、抗強度漲落誘騙態量子光源以及空間長壽命低噪聲單光子探測等多項關鍵技術，利用「墨子號」在國際上率先實現了千公裡級星地雙向量子糾纏分發，並在此基礎上實現空間尺度嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗，實現了千公裡級星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態，密鑰分發速率比地面同距離光纖量子通信水平提高20個數量級。見圖①

　　●清華大學王向斌教授：「墨子號」量子科學實驗衛星是由我國完全自主研製的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星，於2016年8月16日發射升空，2017年1月18日完成在軌測試，正式交付開展科學實驗。此項研究是讓量子通信馳騁於天地之間，為我國構建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網絡提供了可靠的技術支撐，為中國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了科學與技術基礎。

　　2.將病毒直接轉化為活疫苗及治療性藥物

　　北京大學藥學院周德敏、張禮和研究組以流感病毒為模型，在保留病毒完整結構和感染力的情況下，僅突變病毒基因的一個三聯遺傳密碼為終止密碼，流感病毒就由致病性傳染源變為預防性疫苗，再突變多個三聯碼為終止密碼，病毒就變為治療性藥物。這種複製缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到驗證，達到廣譜、持久和高效的效果。

　　●中國醫學科學院藥物研究所蔣建東研究員：流感、愛滋病和伊波拉出血熱等烈性傳染病時刻危害著人類的健康，其幕後「黑手」是結構和功能多樣且快速變異的病毒，而疫苗是預防病毒感染的有效手段。該研究進展是病毒疫苗領域的革命性突破，是馴服病毒的新方法，也是我國長期支持基礎研究、並鼓勵基礎研究進行臨床轉化的典型範例。

　　3.首次探測到雙粲重子

　　歐洲核子研究中心於2017年7月6日宣布，來自大型強子對撞機上底夸克探測器國際合作組的科學家們發現了一種被稱為雙粲重子的新粒子。與質子和中子類似，新發現的雙粲重子由三個夸克組成，但其夸克組分不同：質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而雙粲重子則由兩個較重的粲夸克和一個上夸克組成。由清華大學高原寧領導的中國研究團隊通過與國內理論家密切合作，主導了此次雙粲重子發現的物理分析工作，對該粒子的發現作出了關鍵性貢獻。見圖②

　　●中國科學院理論物理研究所張肇西院士：人類首次觀測到雙粲重子，為科研人員提供了檢驗量子色動力學的獨特體系。對雙粲重子性質的研究將有助於人類深入理解物質的構成和強相互作用力的本質。

　　4.實驗發現三重簡併費米子

　　中國科學院物理研究所丁洪、錢天和石友國研究組與合作者在上海光源「夢之線」和瑞士光源上利用角分辨光電子能譜實驗技術，在磷化鉬晶體中觀測到一類具有三重簡併的費米子。見圖③

　　●清華大學薛其坤院士：組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。現有的理論認為宇宙中只可能存在三種類型的費米子，即狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子，其中狄拉克費米子具有四重簡併，外爾費米子和馬約拉納費米子具有兩重簡併，而三重簡併的費米子在宇宙中是不存在的。尋找新型費米子是近年來凝聚態物理領域一個挑戰性的前沿科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。此研究進展開闢了探索凝聚態體系中非傳統費米子的途徑，對促進人們認識量子物態、發現新奇物理現象、開發新型電子器件具有重要的意義。

　　5.實現氫氣的低溫製備和存儲

　　北京大學化學與分子工程學院馬丁研究組與中國科學院山西煤化研究所溫曉東以及大連理工大學石川等合作的研究表明，將鉑單原子分散在面心立方結構的碳化鉬上製備的催化劑可用於甲醇的液相重整，在較低溫度下（150—190攝氏度）能夠表現出很高的產氫活性，可達每摩爾鉑每小時產氫18046摩爾。這種優越的制氫能力遠大於以前報導的低溫甲醇重整催化劑（高出近兩個數量級）。同時，該研究團隊在水煤氣變換產氫過程中也突破了低溫條件下高反應轉化率與高反應速率不能兼得的難題。

　　●中國科學院化學研究所宋衛國研究員：氫能被譽為下一代二次清潔能源，但氫氣的高效製備以及安全存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規模應用的瓶頸。此研究進展是氫能儲存和輸運體系的一個重大突破，點亮了氫能汽車的未來。

　　6.研發出基於共格納米析出強化的新一代超高強鋼

　　北京科技大學呂昭平研究組與合作者針對低成本高性能的目標，創新性提出利用高密度共格納米析出相來強韌化超高強合金的設計思想，採用輕質且便宜的鋁元素替代馬氏體時效鋼中昂貴的鈷和鈦等元素，大幅降低成本的同時通過簡單的熱處理促進極高密度、全共格納米相析出，研發出共格納米析出強化的新一代超高強鋼。

　　●中國鋼研科技集團有限公司雍歧龍研究員：超高強鋼在航空航天、交通運輸、先進核能等國民經濟重要領域發揮支撐作用，而且也是未來輕型化結構設計和安全防護的關鍵材料。然而幾十年來高性能超高強鋼的研究始終基於傳統的半共格析出產生強共格畸變的學術思路，存在著析出相數量有限，析出尺寸不夠合理且分布不均勻的固有缺陷，這既降低了材料的塑韌性又嚴重影響服役安全性。此外，昂貴的製備成本也限制了其實際應用，成為困擾高端鋼鐵工業發展的難題。此研究進展為研發具有優異強度、塑性和低成本的結構材料提供了新途徑，相信在航母、大飛機等領域也會有應用。

　　7.利用量子相變確定性製備出多粒子糾纏態

　　清華大學物理系尤力和鄭盟錕研究組，通過調控銣-87原子玻色-愛因斯坦凝聚體中的自旋混合過程，使其連續發生兩次量子相變，實現了包含約11000個原子的雙數態的確定性製備。通過直接觀測該糾纏態，他們表徵其不同內態間原子數的差值的漲落低於經典極限10.7±0.6分貝，其集體自旋的歸一化長度為近似完美的0.99±0.01。這兩個指標創造了目前能確定性製備的量子糾纏粒子數目的世界紀錄。

　　●中國科學院物理研究所向濤院士：實現多粒子糾纏是量子物理實驗研究的一大追求。利用量子相變確定性製備多體糾纏態是一種嶄新的嘗試。這一全新的理解和糾纏態製備方法為未來其他多粒子糾纏態的製備提供了一種思路。另外，雙數態的確定性製備為超越標準量子極限的測量科學與技術的實用化發展，比如實現海森堡極限精度的原子鐘和原子幹涉儀等提供了可能。

　　8.中國發現新型古人類化石

　　中國科學院古脊椎動物與古人類研究所吳秀傑研究組與美國華盛頓大學Erik Trinkaus等合作的研究顯示，許昌人顱骨既具有東亞古人類低矮的腦穹隆、扁平的顱中矢狀面、最大顱寬的位置靠下的古老特徵，同時又兼具歐亞大陸西部尼安德特人一樣的枕骨（枕圓枕上凹/項部形態）和內耳迷路（半規管）形態。此外，許昌人超大的腦量和纖細化的腦顱結構，又體現出中更新世人類生物學特徵演化的一般趨勢。因此，許昌人可能代表一種新型的古老型人類。見圖④⑤

　　●北京大學考古文博學院吳小紅教授：長期以來，古人類學界對在中國境內發現的中更新世晚期至晚更新世早期過渡階段古人類成員的演化地位一直存在爭議。爭論的焦點是：他們是由本地的古人類連續進化而來？還是外來人群的成功入侵者？許昌人化石為中國古人類演化的地區連續性以及與歐洲古人類之間的交流提供了一定程度的支持。這項研究填補了古老型人類向早期現代人過渡階段東亞地區古人類演化上的空白。

　　9.酵母長染色體的精準定製合成

　　天津大學元英進、清華大學戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團隊與合作者利用多級模塊化和標準化人工基因組合成方法，基於一步法大片段組裝技術和並行式染色體合成策略，實現了由小分子核苷酸到活體真核長染色體的定製合成，建立了基於多靶點片段共轉化的基因組精確修復技術和DNA大片段重複的修復技術，成功設計構建了4條釀酒酵母長染色體，實現了真核長染色體合成序列與設計序列的完全匹配；原創性地建立了基因組缺陷靶點快速定位方法，通過缺陷靶點的定位與排除，解決了合成基因組導致細胞失活的難題。在此基礎上，構建了人工環形染色體，為當前無法治療的染色體成環疾病發生機理和潛在治療手段建立了研究模型。

　　●清華大學劉磊教授：基因組設計合成是對基因組進行全新設計和從頭構建，能夠按需塑造生命，開啟從非生命物質向生命物質轉化的大門，推動生命科學研究由理解生命向創造生命延伸。然而，基因組合成面臨長染色體難以精準合成、合成染色體導致細胞失活等難題。此研究進展為深化理解生命進化、基因組與功能關係等基礎科學問題提供了新思路，是第一個全合成真核生物基因組的裡程碑。

　　10.研製出可實現自由狀態腦成像的微型顯微成像系統

　　北京大學膜生物學國家重點實驗室程和平及陳良怡研究組與信息科學技術學院張雲峰和王愛民等合作，運用微集成、微光學、超快光纖雷射和半導體光電子學等技術，在高時空分辨在體成像系統研製方面取得突破性技術革新，成功研製出2.2克微型化佩戴式雙光子螢光顯微鏡，在國際上首次記錄了懸尾、跳臺、社交等自然行為條件下，小鼠大腦神經元和神經突觸活動的高速高分辨圖像。見圖⑥⑦

　　●清華大學祁海教授：此項研究進展將開拓新研究範式，在動物自然行為條件下，實現對神經突觸、神經元、神經網絡、多腦區等多尺度、多層次動態信息處理的長時程觀察，這樣不僅可以「看得見」大腦學習、記憶、決策、思維的過程，還將為可視化研究自閉症、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經機制發揮重要作用。

　　（原載於《光明日報》 2018-02-28 04版）