勇攀高峰创佳绩——盘点2021年中国科技的重大突破

◎本刊综合

2021年是中国共产党成立100周年，也是我国科技界不断取得突破的一年。科技工作者们在追寻真理的道路上百折不挠，不断刷新着人类前所未有的高度。

《科技日报》于2021年底总结了过去一年我国科技领域的十大重大突破，让我们一起去看看都有哪些研究上榜。

找回水稻“祖先”基因

多倍化是植物进化的重要机制。如今，人们种植的栽培稻经过了数千年的人工驯化，虽然其农艺性状不断改良，但也损失了遗传多样性，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，其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。

植物基因组学国家重点实验室李家洋团队利用现代基因组编辑技术，让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。

小编漫谈：当前，全球耕地面积不断减少、人口不断增加等因素，导致人类粮食安全问题日益严峻。如何结合现有作物驯化的机理及其性状遗传改良基础驯化出新型作物，是关系粮食安全的关键因素。

李家洋团队的研究成果标志着异源四倍体野生稻从头驯化初步成功，不仅证明了快速将异源四倍体野生稻培育成为未来主粮作物的可行性，也为培养新型作物提供了重要参考。

“九章”“祖冲之”量子计算机上新

过去一年，中国科学技术大学潘建伟团队在量子计算机研发领域取得了多项重大进展。

2021年5月7日，潘建伟团队发表研究成果，宣告他们成功研制出量子计算原型机“祖冲之号”。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性，以及对后续研究具有重大实用价值的量子计算奠定了技术基础。2021年10月底，潘建伟团队进一步研制出66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”。

同时，潘建伟团队研发的升级版“九章二号”也极大提高了其量子优势，还具有了部分可编程的能力。

“九章二号”和“祖冲之二号”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。

图1 祖冲之二号（图/中国科学技术大学）

小编漫谈：量子计算机与平常我们所说的“电脑”差别很大。首先，二者的计算形式不一样，电脑通过电路的开和关进行计算，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会被转换成1和0，再进行传输、运算与存储。而量子计算机则以量子的状态作为计算形式。

目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，比如“九章”就是光量子计算原型机。实验结果显示，“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌此前发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功到达了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。

“中国天眼”迎接全球科学家

北京时间2021年3月31日0时，“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST）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。

2016年落成的“中国天眼”坐落于贵州省黔南州平塘县的大窝凼，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“监听”到宇宙中微弱的射电信号。

图2 “中国天眼”全景（图/新华社记者 欧东衢 摄）

小编漫谈：目前，FAST年观测时长超过5300小时，已远超国际同行预期的工作效率。据介绍，相关机构正在酝酿拿出FAST 1%的观测时间向全国中小学生开放，由科学家带领孩子们探索太空的奥秘。

大型低温制冷装备“中国造”

液氦到超流氦温区大型低温制冷装备是航空航天、国家大科学装置等战略领域不可或缺的核心基础。多年来，我国大型低温制冷装备全部依赖进口，大大限制了相关领域的发展。

2021年4月15日，中国科学院理化技术研究所承担的“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”项目通过验收及成果鉴定，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。

小编漫谈：在我国，氦的液化技术在新中国成立后还未起步。当时，低温物理实验重要的设备——氦液化机在国内根本无法买到，而具有氦液化机生产能力的国家都禁止企业将机器卖给中国。面对困境，我国著名物理学家、中国低温物理与低温技术研究的创始人之一洪朝生决定自己设计氦液化机，通过多次设计、研制、安装、调试后，于1959年4月3日制备出我国第一瓶液氦。

让光“停留”1小时

光已成为现代信息传输的基本载体，对光的捕获及存储可以帮助人们更有效地利用光场。光速高达每秒30万千米，“降低”光速乃至让光“停留”是国际学术界不懈奋斗的目标。

光的存储在量子通信领域尤其重要，可通过将光子储存在超长寿命的量子存储器（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。

1999年，美国哈佛大学团队利用冷原子气体把光速降至17米/秒。2013年，德国达姆施塔特工业大学团队利用掺镨硅酸钇晶体使光停留了1分钟，创下该领域的世界纪录，然而这一时长仍远低于量子U盘小时量级的技术需求。

图3 光盘利用光存储信息

中国科学技术大学李传锋、周宗权研究组长期致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究。通过一系列分析和实验，他们成功将光存储时间从分钟量级推进至小时量级，满足了量子U盘对光存储寿命指标的基本需求。

小编漫谈：光不仅能照明，也是重要的信息媒介。这是因为光是一种电磁波，就像手机发射的微波信号和收音机的无线电波一样，光作为电磁波同样可以承载信息。

我们常见的CD-ROM等光盘就是利用光进行信息存储的典型例子。但所谓的光存储，其实并非储存光本身，而是储存了一系列可用光来读取的图案（信息）。

“人造太阳”刷新世界纪录

地球上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。如果能利用氘制造一个“人造太阳”来发电，人类就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1亿摄氏度以上，而目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3000多摄氏度。

为了达到聚变实验装置所要求的条件，我国科学工作者自主设计研发了全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。2021年5月28日，EAST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，创造了新的世界纪录。

小编漫谈：“人造太阳”为什么重要？这是因为核聚变具有资源无限、清洁环保、不产生高放射性核废料等优点，是目前人类已知的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源。

地球系统数值模拟装置启用

2021年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并启用。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。

地球系统数值模拟装置又称地球模拟实验室，是以地球系统观测数据为基础，研究地球系统的大气圈、水圈、冰冻圈等的物理、化学、生物过程及其相互作用，并通过智能推演分析，探究上述相互作用对地球系统整体和我国区域环境的影响。

图4 “寰”的硅立方机房内景（图/北京市发展和改革委员会）

小编漫谈：地球系统数值模拟装置的中文名为“寰”。“寰”具有一双“慧眼”。它对全球大气和陆面模拟推演的水平分辨率达到25千米，对海洋和海冰模拟推演的水平分辨率达到10千米。在中国及周边区域，“寰”对环境模拟推演的水平分辨率达到3千米，重点区域达到1千米。

能高效导光的“冰光纤”问世

2021年7月9日，浙江大学光电科学与工程学院、现代光学仪器国家重点实验室童利民教授团队在权威学术期刊《科学》杂志上发表了自己的研究成果，他们在-50 ℃环境中制备出了高质量冰单晶微纳光纤。这种光纤既能灵活弯曲，又可以低损耗传输光，在性能上与玻璃光纤相似。

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。

图5 研究团队制备的直径均匀的冰单晶微纳光纤（图/童利民教授团队）

小编漫谈：光纤就是传送光信号的管道。光在光纤中的传播过程和弹丸在管道中的传播过程一样，都是通过不停反射，曲折地向前运行。所以光纤越细，光在其中传播的损耗越小。

目前常见的玻璃光纤中的玻璃加热后有黏性，这会影响形成光纤的直径，所以特别细的光纤不能用玻璃来做。

童利民教授研究团队改进了已有的电场诱导冰晶制备方法，自行搭建生长装置，让其生长出直径从800纳米到10微米的高质量冰单晶微纳光纤。它们不再像普通的冰块那样坚硬易碎，而是可以灵活弯曲，这就让其有了光纤般传输和操控光的能力。

从二氧化碳到淀粉

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。

小编漫谈：在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉是一样的。在口感上，如果把人工合成淀粉做成面条，可能会像意大利面那样筋道。

自然淀粉一般由直链淀粉和支链淀粉混合组成。直链淀粉可溶于热水，分子量比支链淀粉小；支链淀粉不溶于冷水，与热水作用会形成浆糊，分子量比直链淀粉大。

目前实验室里合成的主要是直链淀粉，合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。

证明凯勒几何核心猜想

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。近20年来，经过众多数学家的努力，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是遥不可及的。

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。中国科学技术大学陈秀雄、程经睿的工作就是在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。

小编漫谈：除了以上成果，陈秀雄教授还与其他合作者一道解决了多个著名猜想。如2020年，陈秀雄和王兵发表的关于高维凯勒里奇流收敛性的论文表明，他们率先攻克了“哈密尔顿-田”猜想和“偏零阶估计”猜想，这些均为几何分析领域20余年来悬而未决的核心猜想。