科技界的2021:“人造太陽”破世界紀錄、“中國天眼”迎全球科學家

2021年12月20日07:34

原標題:科技界的2021:“人造太陽”破世界紀錄、“中國天眼”迎全球科學家

來源:科技日報

這一年,我們不斷拓展知識的疆域

2021年已經步入尾聲,過去的一年是科技界屢創新高、收穫滿倉的一年。這一年,恰逢中國共產黨百年華誕,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物理體系中實現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;成功實現二氧化碳人工合成澱粉,為人類未來提供了全新的可能……

這一年,是科技工作者們步履不停的一年,他們在追尋科學真理的道路上百折不撓,不斷刷新著人類所能達到的新高度。科技界必將乘著時代的東風再啟航,向著更加多姿多彩的未來昂首前進。

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丟失的部分優秀基因,培育出產量更高、環境適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。

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、環境適應能力強等優勢。但其具有的非馴化特徵,也讓它無法直接應用於農業生產。

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,將幾千至上萬年的水稻馴化史在短時間內“重演”,並且避免了部分基因丟失,首次設計並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。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註釋了系列馴化基因和重要農藝性狀基因,成功創製了落粒性降低、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。

“九章”“祖衝之”上新

在兩個物理體系實現量子優越性

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標之一,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編程矽基光量子計算芯片,實現了多種圖論問題的量子算法求解,有望未來在大數據處理等領域獲得應用。

5月7日,《科學》雜誌發表中國科學技術大學潘建偉團隊研究成果,其成功研製出了量子計算原型機“祖衝之號”,操縱的超導量子比特達到62個,並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。該成果為在超導量子系統上實現量子優越性,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。

10月底,潘建偉團隊進一步研製出了66比特的可編程超導量子計算原型機“祖衝之2.0”,在隨機線路采樣任務上實現了量子計算優越性,所完成任務的難度較2019年Google“懸鈴木”高出2—3個數量級。

與此同時,潘建偉團隊升級版的“九章2.0”也極大提高了其量子優勢,對於高斯玻色采樣問題,1年前的“九章”一分鍾可以完成的任務,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”一分鍾完成的任務,超級計算機花費的時間要再增加百億倍。並且“九章2.0”還具有了部分可編程的能力。

“九章2.0”和“祖衝之2.0”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。

“中國天眼”迎全球科學家

3月底開始徵集觀測申請

“中國天眼”3月31日起向全球天文學家徵集觀測申請。新華社記者 歐東衢攝
“中國天眼”3月31日起向全球天文學家徵集觀測申請。新華社記者 歐東衢攝

本著開放天空的原則,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)於北京時間2021年3月31日0時起向全世界天文學家發出邀約,徵集觀測申請,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。

中國天眼坐落於貴州省黔南州平塘縣的大窩氹,於2016年落成,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,中國天眼能夠監聽到宇宙中微弱的射電信號。

通過國家驗收啟動運行以來,中國天眼設施運行穩定可靠,發現的脈衝星數量已達到500餘顆,並在快速射電暴等研究領域取得重大突破。中國天眼的研製和建設,不僅體現了我國的自主創新能力,還推動了我國天線製造技術、微波電子技術、並聯機器人、大尺度結構工程、公里範圍高精度動態測量等眾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

大型低溫製冷裝備“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製項目“液氦到超流氦溫區大型低溫製冷系統研製”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平。這標誌著我國具備了研製液氦溫度(-269℃)千瓦級和超流氦溫度(-271℃)百瓦級大型低溫製冷裝備的能力。

液氦是製造超低溫的“神器”。隨著社會經濟的高速發展,我國已成為大型低溫製冷設備的使用大國。但由於缺乏大型低溫製冷系統、關鍵子設備及集成技術,我國大型低溫製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製冷設備的研製工作。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,最終成功研製出技術指標先進的大型氦製冷機。

光存儲時間達1小時

向量子U盤邁出重要一步

4月,中國科學技術大學郭光燦團隊李傳鋒、周宗權研究組將光存儲時間提升至1小時,大幅刷新2013年德國團隊所創造的光存儲1分鍾的世界紀錄,向實現量子U盤邁出重要一步。該成果於4月下旬發表於權威學術期刊《自然·通訊》。

光已成為現代信息傳輸的基本載體。光速高達每秒30萬公里,“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標。光的存儲在量子通信領域尤其重要,通過將光子儲存在超長壽命的量子存儲器即量子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。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。

李傳鋒、周宗權研究組2015年便自製光學拉曼外差探測核磁共振譜儀,依託該儀器,其精確刻畫了摻銪矽酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量,並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,人類有望實現基於經典交通運輸工具的量子信息傳輸,從而建立起一種全新的量子信道。

“人造太陽”刷新世界紀錄

實現可重複1.2億℃燃燒101秒

“人造太陽”實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。新華社記者 周牧攝
“人造太陽”實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。新華社記者 周牧攝

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,成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行,創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄,向核聚變能源應用邁出重要一步。

地球萬物生長所依賴的光和熱,都源於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。如果能夠利用氘製造一個“人造太陽”來發電,人類則有望徹底實現能源自由。

但製造“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?人工控製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℃。這意味著,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產權的關鍵技術,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並正式投入運行,為未來清潔能源的利用和發展提供實驗研究平台。

地球模擬裝置啟用

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“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學城落成啟用。這是我國研製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。

地球系統模擬裝置,又稱地球模擬實驗室,是對地球系統進行數值模擬,即以地球系統觀測數據為基礎,利用描述地球系統的物理、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現地球的過去、模擬地球的現在、預測地球的未來。

此次新落成啟用的地球模擬實驗室整體性能與國際先進水平相當,是我國首個具有自主知識產權,以地球系統各圈層數值模擬軟件為核心,軟、硬件協同設計,規模及綜合技術水平位於世界前列的專用地球系統數值模擬裝置。其具備地球表層各圈層的模擬能力,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態和生物地球化學過程及其與氣候系統的相互作用,並在此基礎上建立起“生態—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”的清晰關係,對溫室氣體核算、未來升溫預估提供有力的模擬支撐,助力碳達峰、碳中和願景目標的實現。並且它還將為我國未來在氣候與環境領域的談判提供依據,提升我國的國際話語權。

“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》雜誌發表的成果顯示,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,製備出了高質量冰單晶微納光纖。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。

光纖作為一種將光約束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。常規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態水。因此用冰製備光纖,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製備方法,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態,從而誘發單晶生長。最終在-50℃的環境中,成功製備出直徑在800納米到10微米的冰單晶微納光纖。並且,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,以及發展適用於特殊環境的微納尺度冰基技術。

“甩開”光合作用合成澱粉

節約資源同時提升生產效率

中國科學家在實驗室中首次實現從二氧化碳到澱粉分子的全合成。新華社記者 金立旺攝
中國科學家在實驗室中首次實現從二氧化碳到澱粉分子的全合成。新華社記者 金立旺攝

9月23日,中國科學院宣佈重磅成果。該院天津工業生物技術研究所研究人員提出了一種顛覆性的澱粉製備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,成功生產出澱粉,在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成,使澱粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。相關研究成果9月24日在線發表於《科學》雜誌。

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,將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週期,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,在實驗室中首次實現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。並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產澱粉量相當於我國5畝土地玉米種植的平均年產量。

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物理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里程碑式結果,其解出了一個四階完全非線性橢圓方程,成功證明強製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,解決了若干有關凱勒流形上常標量曲率度量和卡拉比極值度量的著名問題。兩篇論文發表於國際著名刊物《美國數學會雜誌》。

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。關於其存在性,有三個著名猜想——穩定性猜想、強製性猜想和測地穩定性猜想。經過近20年來眾多著名數學家的工作,強製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,就能證明常標量曲率度量的存在性。陳秀雄、程經睿的工作恰恰就是在K-能量強製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,將唐納森在環對稱凱勒曲面上的經典定理推廣到了高維,並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。

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