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盘点2021年中国科技的重大突破：低温制冷、量子U盘、人造太阳、冰光纤、人工淀粉……
2021-12-21 07:00 来源: DT新材料
原标题：盘点2021年中国科技的重大突破：低温制冷、量子U盘、人造太阳、冰光纤、人工淀粉……
来源｜科技日报， 实习记者 都芃；编审｜有料先生
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2021年已经步入尾声，过去的一年是科技界屡创新高、收获满仓的一年。这一年，恰逢中国共产党百年华诞，我国科技界更是取得多项重要突破。量子计算获得重大进展，使我国成为唯一在两个物理体系中实现量子计算优越性的国家；“中国天眼”正式向全世界开放，尽显大国风度；成功实现二氧化碳人工合成淀粉，为人类未来提供了全新的可能……
这一年，是科技工作者们步履不停的一年，他们在追寻科学真理的道路上百折不挠，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启航，向着更加多姿多彩的未来昂首前进。
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找回水稻“祖先”基因
有助培育更优秀的水稻品种
快速从头驯化异源四倍体野生稻，发挥多倍体优势，找回当下栽培稻已经丢失的部分优秀基因，培育出产量更高、环境适应能力更强的新型水稻作物——中国科学院种子创新研究院、遗传与发育生物学研究所李家洋团队与合作者的这项突破性进展，2月4日在国际知名学术期刊《细胞》发表。
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院/遗传与发育生物学研究所供图
多倍化是植物进化的重要机制。今天我们所种植的栽培稻经过了数千年的人工驯化，其农艺性状不断改良，但同时也损失了大量的遗传多样性，造成优势基因资源缺失。而异源四倍体相比二倍体多2个染色体组，异源四倍体野生稻具有生物量大、自带杂种、环境适应能力强等优势。但其具有的非驯化特征，也让它无法直接应用于农业生产。
李家洋团队从综合表现更好的四倍体野生稻出发，利用现代基因组编辑技术，将几千至上万年的水稻驯化史在短时间内“重演”，并且避免了部分基因丢失，首次设计并完成了异源四倍体野生稻快速从头驯化的框架图，有望培育出产量高、环境适应能力强的新型水稻作物。研究团队突破了基因组解析、高效遗传转化、高效基因组编辑等技术瓶颈，在异源四倍体高秆野生稻基因组中注释了系列驯化基因和重要农艺性状基因，成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的多种基因组编辑异源四倍体野生稻材料。
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“九章”“祖冲之”上新
在两个物理体系实现量子优越性
研发具有实用价值的量子计算机，一直是量子计算领域最重要的发展目标之一，也是当下各国竞相角逐的焦点。过去一年，我国在量子计算机研发领域取得了多项重大进展。
2月27日，国际权威期刊《科学进展》发表成果，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出的一款新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了多种图论问题的量子算法求解，有望未来在大数据处理等领域获得应用。
5月7日，《科学》杂志发表中国科学技术大学潘建伟团队研究成果，其成功研制出了量子计算原型机“祖冲之号”，操纵的超导量子比特达到62个，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性，以及后续研究具有重大实用价值的量子计算奠定了技术基础。
二维超导量子比特芯片示意图, 每个橘色十字代表一个量子比特。图片来源：潘建伟团队
10月底，潘建伟团队进一步研制出了66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性，所完成任务的难度较2019年谷歌“悬铃木”高出2—3个数量级。
与此同时，潘建伟团队升级版的“九章2.0”也极大提高了其量子优势，对于高斯玻色采样问题，1年前的“九章”一分钟可以完成的任务，世界上最强大的超级计算机需要花费亿年时间；而“九章2.0”一分钟完成的任务，超级计算机花费的时间要再增加百亿倍。并且“九章2.0”还具有了部分可编程的能力。
“九章2.0”和“祖冲之2.0”的出现，使我国成为唯一在两个物理体系中实现量子计算优越性的国家。
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“中国天眼”迎全球科学家
3月底开始征集观测申请
本着开放天空的原则，被誉为“中国天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（FAST）于北京时间2021年3月31日0时起向全世界天文学家发出邀约，征集观测申请，所有国外申请项目统一参加评审。观测时间从今年8月开始。
“中国天眼”3月31日起向全球天文学家征集观测申请。新华社记者 欧东衢 摄
中国天眼坐落于贵州省黔南州平塘县的大窝凼，于2016年落成，是具有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。射电望远镜与光学望远镜一样，口径越大接收到的电磁波越多，其灵敏度就越高，探测能力就越强。借此，中国天眼能够监听到宇宙中微弱的射电信号。
通过国家验收启动运行以来，中国天眼设施运行稳定可靠，发现的脉冲星数量已达到500余颗，并在快速射电暴等研究领域取得重大突破。中国天眼的研制和建设，不仅体现了我国的自主创新能力，还推动了我国天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。
中国科学院院士、FAST科学委员会主任武向平表示，FAST面向全球开放使用，彰显了充分合作的理念，以及对人类命运共同体理念的实践。
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用液氦造出-271℃世界
大型低温制冷装备“中国造”
4月15日，中国科学院理化技术研究所（以下简称中科院理化所）承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定，项目成果鉴定专家组认为，该项目整体技术达到国际先进水平。这标志着我国具备了研制液氦温度（-269℃）千瓦级和超流氦温度（-271℃）百瓦级大型低温制冷装备的能力。
国产化液氦温区大型低温制冷系统。图片来源：中科院理化所
液氦是制造超低温的“神器”。随着社会经济的高速发展，我国已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、关键子设备及集成技术，我国大型低温制冷装备长期被国外垄断，进口依赖度高。
2015年12月，中科院理化所开始启动液氦到超流氦温区大型低温制冷设备的研制工作。在几十年低温技术积累的基础上，经过5年艰苦攻关，坚持走自主创新道路，最终成功研制出技术指标先进的大型氦制冷机。
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光存储时间达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李传锋、周宗权研究组将光存储时间提升至1小时，大幅刷新2013年德国团队所创造的光存储1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。该成果于4月下旬发表于权威学术期刊《自然·通讯》。
资料图。图片来源：pixabay
光已成为现代信息传输的基本载体。光速高达每秒30万公里，“降低”光速乃至让光“停留”下来，是国际学术界一直不懈奋斗的目标。光的存储在量子通信领域尤其重要，通过将光子储存在超长寿命的量子存储器即量子U盘中，实现通过直接运输量子U盘的方式来传输量子信息。而考虑到飞机和高铁等交通工具的速度，量子U盘的光存储时间至少需达到小时量级。
李传锋、周宗权研究组2015年便自制光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，依托该仪器，其精确刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量，并在理论上预测了一阶塞曼效应为零（ZEFOZ）磁场下的能级结构。
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运输工具的量子信息传输，从而建立起一种全新的量子信道。
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“人造太阳”刷新世界纪录
实现可重复1.2亿℃燃烧101秒
5月28日，中国科学院合肥物质科学研究院传来喜讯，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）取得新突破，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。
“人造太阳”实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。新华社记者 周牧 摄
地球万物生长所依赖的光和热，都源于太阳核聚变反应后释放的能量。而支撑这种聚变反应的燃料氘，在地球上的储量极其丰富，足够人类利用上百亿年。如果能够利用氘制造一个“人造太阳”来发电，人类则有望彻底实现能源自由。
但制造“人造太阳”面临一个突出的现实问题：用什么容器来承载核聚变？人工控制条件下等离子体的离子温度需达到1亿℃以上。而目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3000多℃。这意味着，需要造出一个同时承载大电流、强磁场、超高温、超低温、高真空、高绝缘等复杂环境的装置，这对工艺设计和材料提出了极高的要求。
为了达到聚变实验装置所要求的条件，EAST团队的科学工作者自主创新，自主设计、研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。世界上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实验研究平台。
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地球模拟装置启用
看清地球的过去、现在、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”在北京怀柔科学城落成启用。这是我国研制成功的首个具有自主知识产权的地球系统模拟大科学装置。
图片来源：中科院大气所
地球系统模拟装置，又称地球模拟实验室，是对地球系统进行数值模拟，即以地球系统观测数据为基础，利用描述地球系统的物理、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。科学家们由此得以重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来。
此次新落成启用的地球模拟实验室整体性能与国际先进水平相当，是我国首个具有自主知识产权，以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软、硬件协同设计，规模及综合技术水平位于世界前列的专用地球系统数值模拟装置。其具备地球表层各圈层的模拟能力，能够更全面地考虑地球系统的各种过程。尤其是在当下最为紧迫的气候变化应对与碳中和领域，该系统能够全方位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，并在此基础上建立起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的清晰关系，对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支撑，助力碳达峰、碳中和愿景目标的实现。并且它还将为我国未来在气候与环境领域的谈判提供依据，提升我国的国际话语权。
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“冰光纤”问世
既可灵活弯曲又能高效导光
7月9日，权威学术期刊《科学》杂志发表的成果显示，浙江大学光电科学与工程学院童利民教授团队联合浙江大学交叉力学中心和美国加州大学伯克利分校的科研人员，在-50℃环境中，制备出了高质量冰单晶微纳光纤。其既能够灵活弯曲，又可以低损耗传输光，在性能上与玻璃光纤相似。
研究团队制备的直径均匀的冰单晶微纳光纤。受访者供图
光纤作为一种将光约束和自由传输的功能结构，是目前光场操控最有效的工具之一。常规玻璃光纤的主要成分氧化硅（石英砂），是地壳中含量最丰富的物质之一。但实际上，在地球及诸多地外星体中，比石英砂更普遍的物质是冰或液态水。因此用冰制备光纤，具有广泛的应用前景。
本次研究中，童利民团队自行搭建了生长装置，在大量实验基础上，改进了已有的电场诱导冰晶制备方法，在低温高压电场中，辅之以一定的湿度条件，通过静电促使水分子朝电场方向运动，改变其无序的运动状态，从而诱发单晶生长。最终在-50℃的环境中，成功制备出直径在800纳米到10微米的冰单晶微纳光纤。并且，该团队还利用新发明的低温微纳操控和转移技术，在-150℃的环境中，使冰微纳光纤获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限。
童利民认为，该项研究结果将拓展人们对冰的认知边界，激发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，以及发展适用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。
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“甩开”光合作用合成淀粉
节约资源同时提升生产效率
9月23日，中国科学院宣布重磅成果。该院天津工业生物技术研究所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。
中国科学家在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。新华社记者 金立旺 摄
淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在玉米等农作物中，将二氧化碳转变为淀粉涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控，太阳能的理论利用效率不超过2%。而农作物的种植更是需要数月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等资源。
为提高生产效率，中国科学院天津工业生物所研究人员从头设计了11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。并且在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。
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证明凯勒几何核心猜想
解开数学界60多年“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与合作者程经睿在偏微分方程和复几何领域取得里程碑式结果，其解出了一个四阶完全非线性椭圆方程，成功证明强制性猜想和测地稳定性猜想这两个国际数学界60多年悬而未决的核心猜想，解决了若干有关凯勒流形上常标量曲率度量和卡拉比极值度量的著名问题。两篇论文发表于国际著名刊物《美国数学会杂志》。
几何物理中心创始主任陈秀雄教授（中）与程经睿（左）在一起。安徽网 陶冬青 摄
凯勒流形上常标量曲率度量的存在性，是过去60多年来几何中的核心问题之一。关于其存在性，有三个著名猜想——稳定性猜想、强制性猜想和测地稳定性猜想。经过近20年来众多著名数学家的工作，强制性猜想和测地稳定性猜想中的必要性已变得完全清晰，但其充分性的证明在此之前被认为遥不可及。
求出一类四阶完全非线性椭圆方程的解，就能证明常标量曲率度量的存在性。陈秀雄、程经睿的工作恰恰就是在K-能量强制性或测地稳定性的假设下，证明了这类方程解的存在。他们不仅求出了方程的解，而且建立了一套系统研究此类方程的方法，为探索未知的数学世界提供了一种新工具。此外，他们还给出了环对称凯勒流形上稳定性猜想的证明，将唐纳森在环对称凯勒曲面上的经典定理推广到了高维，并对一般稳定性猜想的证明提出可能的解决方案，让一般稳定性猜想的完全解决成为可能。
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(整理：八宿县制冷维修培训学校)
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