科技部2月27日在北京公布了“2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”：實現(xiàn)星地千公里級量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)；將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物；首次探測到雙粲重子；實驗發(fā)現(xiàn)三重簡并費米子；實現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲；研發(fā)出基于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制備出多粒子糾纏態(tài)；中國發(fā)現(xiàn)新型古人類化石；酵母長染色體的精準(zhǔn)定制合成；研制出可實現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)。
圖1：“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)千公里級量子糾纏分發(fā)。圖片由科技部提供
圖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
圖3：三重簡并費米子（右）與四重簡并狄拉克費米子（左）和兩重簡并外爾費米子（中）。圖片由科技部提供
圖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
科技部基礎(chǔ)研究管理中心主任劉敏表示，入選的十大進(jìn)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(shù)入選項目相關(guān)研究成果在《自然》《科學(xué)》等國際頂尖刊物發(fā)表，得到國際學(xué)術(shù)界高度評價，被視為“重大突破”或“填補空白”。
據(jù)介紹，“中國科學(xué)十大進(jìn)展”遴選活動由科技部基礎(chǔ)研究管理中心牽頭，聯(lián)合《中國基礎(chǔ)科學(xué)》《科技導(dǎo)報》《中國科學(xué)院院刊》《中國科學(xué)基金》和《科學(xué)通報》5家刊物編輯部共同組織，邀請中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、973計劃項目首席科學(xué)家等專家進(jìn)行評選，至今已經(jīng)成功舉辦13屆。遴選活動分推薦、初選和終選3個環(huán)節(jié)。其中，終選采取網(wǎng)上投票，邀請兩院院士、973計劃顧問組和咨詢組專家、973計劃項目首席科學(xué)家、國家重點實驗室主任等2200余名專家學(xué)者對30項候選科學(xué)進(jìn)展進(jìn)行投票，得票數(shù)排名前10位的科學(xué)進(jìn)展最終入選“2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。
為促進(jìn)公眾更好地理解和支持基礎(chǔ)研究，科技部基礎(chǔ)研究司、科技部基礎(chǔ)研究管理中心當(dāng)日在北京舉辦“2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展專家解讀會”，邀請清華大學(xué)薛其坤院士、中國科學(xué)院物理研究所向濤院士、中國科學(xué)院理論物理研究所張肇西院士等10位專家對十大進(jìn)展進(jìn)行了解讀。
1．實現(xiàn)星地千公里級量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和彭承志研究組聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組等，創(chuàng)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(tài)量子光源以及空間長壽命低噪聲單光子探測等多項關(guān)鍵技術(shù)，利用“墨子號”在國際上率先實現(xiàn)了千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)空間尺度嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗，實現(xiàn)了千公里級星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，密鑰分發(fā)速率比地面同距離光纖量子通信水平提高20個數(shù)量級。見圖①
圖1：“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)千公里級量子糾纏分發(fā)。圖片由科技部提供
圖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
●清華大學(xué)王向斌教授：“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是由我國完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，于2016年8月16日發(fā)射升空，2017年1月18日完成在軌測試，正式交付開展科學(xué)實驗。此項研究是讓量子通信馳騁于天地之間，為我國構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的技術(shù)支撐，為中國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)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(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
2．將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物
北京大學(xué)藥學(xué)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(jié)構(gòu)和感染力的情況下，僅突變病毒基因的一個三聯(lián)遺傳密碼為終止密碼，流感病毒就由致病性傳染源變?yōu)轭A(yù)防性疫苗，再突變多個三聯(lián)碼為終止密碼，病毒就變?yōu)橹委熜运幬铩＿@種復(fù)制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(dá)到廣譜、持久和高效的效果。
●中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所蔣建東研究員：流感、艾滋病和埃博拉出血熱等烈性傳染病時刻危害著人類的健康，其幕后“黑手”是結(jié)構(gòu)和功能多樣且快速變異的病毒，而疫苗是預(yù)防病毒感染的有效手段。該研究進(jìn)展是病毒疫苗領(lǐng)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(chǔ)研究、并鼓勵基礎(chǔ)研究進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化的典型范例。
圖3：三重簡并費米子（右）與四重簡并狄拉克費米子（左）和兩重簡并外爾費米子（中）。圖片由科技部提供
圖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
3．首次探測到雙粲重子
歐洲核子研究中心于2017年7月6日宣布，來自大型強子對撞機(jī)上底夸克探測器國際合作組的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種被稱為雙粲重子的新粒子。與質(zhì)子和中子類似，新發(fā)現(xiàn)的雙粲重子由三個夸克組成，但其夸克組分不同：質(zhì)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(xué)高原寧領(lǐng)導(dǎo)的中國研究團(tuán)隊通過與國內(nèi)理論家密切合作，主導(dǎo)了此次雙粲重子發(fā)現(xiàn)的物理分析工作，對該粒子的發(fā)現(xiàn)作出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。見圖②
●中國科學(xué)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(xué)的獨特體系。對雙粲重子性質(zhì)的研究將有助于人類深入理解物質(zhì)的構(gòu)成和強相互作用力的本質(zhì)。
4．實驗發(fā)現(xiàn)三重簡并費米子
中國科學(xué)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(shù)，在磷化鉬晶體中觀測到一類具有三重簡并的費米子。見圖③
●清華大學(xué)薛其坤院士：組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子?，F(xiàn)有的理論認(rèn)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并，外爾費米子和馬約拉納費米子具有兩重簡并，而三重簡并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(tài)物理領(lǐng)域一個挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題，也是該領(lǐng)域國際競爭的焦點之一。此研究進(jìn)展開辟了探索凝聚態(tài)體系中非傳統(tǒng)費米子的途徑，對促進(jìn)人們認(rèn)識量子物態(tài)、發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象、開發(fā)新型電子器件具有重要的意義。
圖5：許昌人在現(xiàn)代人進(jìn)化中的位置（單位Ma為百萬年） 圖片由科技部提供
圖6：左圖，質(zhì)量僅為2．2克的可佩戴式雙光子熒光顯微鏡。右圖，科學(xué)家利用雙光子熒光顯微鏡觀察小鼠大腦。圖片由科技部提供
5．實現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁研究組與中國科學(xué)院山西煤化研究所溫曉東以及大連理工大學(xué)石川等合作的研究表明，將鉑單原子分散在面心立方結(jié)構(gòu)的碳化鉬上制備的催化劑可用于甲醇的液相重整，在較低溫度下（150—190攝氏度）能夠表現(xiàn)出很高的產(chǎn)氫活性，可達(dá)每摩爾鉑每小時產(chǎn)氫18046摩爾。這種優(yōu)越的制氫能力遠(yuǎn)大于以前報道的低溫甲醇重整催化劑（高出近兩個數(shù)量級）。同時，該研究團(tuán)隊在水煤氣變換產(chǎn)氫過程中也突破了低溫條件下高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率不能兼得的難題。
●中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋衛(wèi)國研究員：氫能被譽為下一代二次清潔能源，但氫氣的高效制備以及安全存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。此研究進(jìn)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(fā)出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼
北京科技大學(xué)呂昭平研究組與合作者針對低成本高性能的目標(biāo)，創(chuàng)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(shè)計思想，采用輕質(zhì)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(jìn)極高密度、全共格納米相析出，研發(fā)出共格納米析出強化的新一代超高強鋼。
圖5：許昌人在現(xiàn)代人進(jìn)化中的位置（單位Ma為百萬年） 圖片由科技部提供
圖6：左圖，質(zhì)量僅為2．2克的可佩戴式雙光子熒光顯微鏡。右圖，科學(xué)家利用雙光子熒光顯微鏡觀察小鼠大腦。圖片由科技部提供
●中國鋼研科技集團(tuán)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(jìn)核能等國民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用，而且也是未來輕型化結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全防護(hù)的關(guān)鍵材料。然而幾十年來高性能超高強鋼的研究始終基于傳統(tǒng)的半共格析出產(chǎn)生強共格畸變的學(xué)術(shù)思路，存在著析出相數(shù)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(yán)重影響服役安全性。此外，昂貴的制備成本也限制了其實際應(yīng)用，成為困擾高端鋼鐵工業(yè)發(fā)展的難題。此研究進(jìn)展為研發(fā)具有優(yōu)異強度、塑性和低成本的結(jié)構(gòu)材料提供了新途徑，相信在航母、大飛機(jī)等領(lǐng)域也會有應(yīng)用。
7．利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態(tài)
清華大學(xué)物理系尤力和鄭盟錕研究組，通過調(diào)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(xù)發(fā)生兩次量子相變，實現(xiàn)了包含約11000個原子的雙數(shù)態(tài)的確定性制備。通過直接觀測該糾纏態(tài)，他們表征其不同內(nèi)態(tài)間原子數(shù)的差值的漲落低于經(jīng)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(biāo)創(chuàng)造了目前能確定性制備的量子糾纏粒子數(shù)目的世界紀(jì)錄。
●中國科學(xué)院物理研究所向濤院士：實現(xiàn)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制備多體糾纏態(tài)是一種嶄新的嘗試。這一全新的理解和糾纏態(tài)制備方法為未來其他多粒子糾纏態(tài)的制備提供了一種思路。另外，雙數(shù)態(tài)的確定性制備為超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的測量科學(xué)與技術(shù)的實用化發(fā)展，比如實現(xiàn)海森堡極限精度的原子鐘和原子干涉儀等提供了可能。
8．中國發(fā)現(xiàn)新型古人類化石
中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所吳秀杰研究組與美國華盛頓大學(xué)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征，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(tài)）和內(nèi)耳迷路（半規(guī)管）形態(tài)。此外，許昌人超大的腦量和纖細(xì)化的腦顱結(jié)構(gòu)，又體現(xiàn)出中更新世人類生物學(xué)特征演化的一般趨勢。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(xué)考古文博學(xué)院吳小紅教授：長期以來，古人類學(xué)界對在中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(xù)進(jìn)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(qū)連續(xù)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(xiàn)代人過渡階段東亞地區(qū)古人類演化上的空白。
9．酵母長染色體的精準(zhǔn)定制合成
天津大學(xué)元英進(jìn)、清華大學(xué)戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團(tuán)隊與合作者利用多級模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化人工基因組合成方法，基于一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核長染色體的定制合成，建立了基于多靶點片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)的修復(fù)技術(shù)，成功設(shè)計構(gòu)建了4條釀酒酵母長染色體，實現(xiàn)了真核長染色體合成序列與設(shè)計序列的完全匹配；原創(chuàng)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(dǎo)致細(xì)胞失活的難題。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了人工環(huán)形染色體，為當(dāng)前無法治療的染色體成環(huán)疾病發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段建立了研究模型。
●清華大學(xué)劉磊教授：基因組設(shè)計合成是對基因組進(jìn)行全新設(shè)計和從頭構(gòu)建，能夠按需塑造生命，開啟從非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化的大門，推動生命科學(xué)研究由理解生命向創(chuàng)造生命延伸。然而，基因組合成面臨長染色體難以精準(zhǔn)合成、合成染色體導(dǎo)致細(xì)胞失活等難題。此研究進(jìn)展為深化理解生命進(jìn)化、基因組與功能關(guān)系等基礎(chǔ)科學(xué)問題提供了新思路，是第一個全合成真核生物基因組的里程碑。
10．研制出可實現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)
北京大學(xué)膜生物學(xué)國家重點實驗室程和平及陳良怡研究組與信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張云峰和王愛民等合作，運用微集成、微光學(xué)、超快光纖激光和半導(dǎo)體光電子學(xué)等技術(shù)，在高時空分辨在體成像系統(tǒng)研制方面取得突破性技術(shù)革新，成功研制出2．2克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡，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(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的高速高分辨圖像。見圖⑥⑦
●清華大學(xué)祁海教授：此項研究進(jìn)展將開拓新研究范式，在動物自然行為條件下，實現(xiàn)對神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)信息處理的長時程觀察，這樣不僅可以“看得見”大腦學(xué)習(xí)、記憶、決策、思維的過程，還將為可視化研究自閉癥、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經(jīng)機(jī)制發(fā)揮重要作用。
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