[科学技术]解读2017年度中国科学十大进展

“墨子”卫星实现了数千公里的量子纠缠分布

含终止码的复制缺陷型活疫苗的制备

由两个溃烂夸克和一个上夸克组成的双重子

三重简并费米子(右)和四重简并狄拉克费米子(左)以及双简并外费米子(中)

基于pt/α-moc催化剂的水和甲醇低温液相重整制氢

析出相的结构及其高度相干特性

量子相变驱动的纠缠态产生

任绪长一号(右)和任绪长二号(左)的头骨化石

许昌人在现代人进化中的地位

质量只有2.2克的可佩戴双光子荧光显微镜

神经元的显著活动可以用高时间空分辨率记录

(本版由科技部高新技术研究开发中心提供。) 根据编者按，科技部高新技术研发中心27日公布了“2017年中国十大科技进步”。选择了实现数千公里量子纠缠、密钥分发和隐形传态、直接将病毒转化为活疫苗和治疗药物等成果。

1.实现几千公里的量子纠缠、密钥分发和隐形传态

墨子量子科学实验卫星是世界上第一颗完全由中国自主研制的量子科学实验卫星。2016年8月16日发射，2017年1月18日完成在轨测试，正式交付科学实验。中国科学技术大学潘建伟、彭承志课题组与中国科学院上海技术物理研究所王建宇课题组一起，创新性地突破了一批国际领先的关键技术，包括天地之间的双向高精度光跟踪瞄准、空高亮度量子纠缠源， 抗强度起伏诱饵量子光源和空长寿命低噪声单光子探测实现了千公里级卫星的量子密钥分发和地球-卫星量子隐形传态，密钥分发率比地面上同等距离的光纤量子通信水平提高了20个数量级，为构建全球一体化量子保密通信网络提供了可靠的技术支持， 为中国今后继续引领世界量子通信技术的发展和空尺度量子物理基础问题的前沿研究奠定了坚实的科技基础。 相关研究进展分别于2017年6月16日[Science，356 (6343): 1140-1144]和2017年9月7日[Nature，549 (7670): 43-47]和[Nature，549 (7670)]发表在《科学》杂志上，研究成果一经发表，就引起了国际学术界和新闻媒体的广泛关注，受到国际学术界的高度赞扬。它们被《自然》杂志评为“2017年重大科学事件”，并被美国著名科学媒体科学新闻评选。《墨子》首席科学家潘建伟教授也入选《自然》杂志“2017年改变世界十大科学人物”，被称为“让量子通信驰骋天地的物理学家”。

2.直接将病毒转化为活疫苗和治疗药物

流感、艾滋病、埃博拉出血热等严重传染病始终危害着人类健康和社会稳定。幕后的“黑手”是结构功能多样、变异迅速的病毒，疫苗是预防病毒感染的有效手段。北京大学药学院的周德民和张丽禾以流感病毒为模型。在保留病毒完整结构和传染性的情况下，仅将病毒基因的一个三重遗传密码突变为终止密码，使流感病毒从病原性传染源转变为预防性疫苗。然后将多个三重码突变为终止码，病毒就成了治疗药物。这种疫苗的特点是保留了野生型病毒的所有抗原、感染活性和相同的感染途径，能诱导强而广泛的体液免疫、鼻粘膜免疫和t细胞活化免疫应答，但感染人体后缺乏复制能力。这种复制缺陷型活疫苗已在小鼠、雪貂和豚鼠模型中得到验证，取得了广谱、持久和高效的效果。这种方法颠覆了传统灭活/减毒疫苗的概念。前者需要改变病毒抗原的结构以去除其毒性，只能部分刺激人体免疫，因此需要多次接种。后者需要复杂的过程才能保持病毒的完整结构，但仍具有较弱的复制能力和潜在的致病性，存在较大的安全隐患。这种方法将是开发活病毒疫苗的通用方法，几乎可以用于所有病毒。相关研究进展发表于2016年12月2日《科学》[Science，354 (6316): 1170-1173]。这一研究进展是我国长期支持基础研究、鼓励基础研究临床转化的典型例子。《科学》杂志评论说，这一进展是病毒疫苗领域的革命性突破，《自然》杂志称之为“驯服病毒的新方法”。

3.首次探测到双重子

2017年7月6日，欧洲粒子物理研究所(CERN)宣布，来自大型强子对撞机(LHC)上底夸克探测器(lhcB)国际合作组的科学家发现了一种叫做双重子的新粒子，它有两个单位电荷，质量约为3621 mev，几乎是质子的四倍。与质子和中子类似，新发现的重子由三个夸克组成，但它们的夸克组成不同:质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，而重子由两个较重的重子和一个上夸克组成。该理论预言双重子的内部结构与之前发现的粒子有很大不同，对其性质的研究将有助于人类深入了解物质的组成和强相互作用的本质。相关研究进展发表于2017年9月11日《物理评论快报》，119，112001。底部夸克探测器国际合作小组由来自16个国家的1000多名科学家组成。清华大学、华中师范大学、中科院大学、武汉大学是合作小组成员。以清华大学高元宁为首的中国研究团队，通过与国内理论家的密切合作，牵头对双重子的发现进行了物理分析，为这一粒子的发现做出了关键性贡献。欧洲核研究中心就重子的发现做了专题新闻发布，被全球媒体报道。评论者评论道:“这篇论文给出了一个期待已久的重要结果——首次观测到双重子。”与此同时，《美国物理杂志》对“双引力粒子”做了专题报道，认为这一发现“为研究人员测试量子色动力学提供了一个独特的系统”。

4.实验中发现了三重简并费米子

构成宇宙的基本粒子可以分为玻色子和费米子。现有理论认为宇宙中只有三种费米子，即狄拉克费米子、外费米子和马约拉纳费米子，其中狄拉克费米子具有四重简并，外费米子和马约拉纳费米子具有双重简并，而三重简并费米子在宇宙中不存在。这三种类型的费米子也可以以准粒子的形式存在于固体材料中，其中狄拉克费米子和费米子的存在已经得到了实验上的证实，Mayorana费米子也得到一些实验的支持。这些固体物质俗称“固体宇宙”，与真实宇宙相对应。与时间空连续宇宙空不同,“固体宇宙”只满足不连续分离空之间的对称性，这可能导致新的费米子在真实宇宙中不存在。在“固体宇宙”中寻找新的费米子是近年来凝聚态物理中具有挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。中科院物理所的、、石及其合作者利用上海光源“梦想线”和瑞士光源的角分辨光电子能谱实验技术，在磷化钼晶体中观察到一类三简并费米子。这是第一次通过实验发现传统狄拉克/韦尔/马略拉那类型以外的费米子。他们的实验发现为探索凝聚态系统中的非传统费米子开辟了一条道路，对于促进人们对量子态的理解、发现新的物理现象和开发新的电子器件具有重要意义。相关研究进展发表于2017年6月29日《自然》[Nature，546 (7660): 627-631]。

5.实现氢气的低温制备和储存

氢气被认为是下一代二次清洁能源，但氢气的高效制备、安全储存和运输一直是阻碍氢能大规模应用的瓶颈。由于甲醇可以安全运输，将氢气储存在液态甲醇中，通过水和甲醇的低温液相重整反应原位制氢，可以释放储存在甲醇中的氢气，活化等摩尔水释放多余的氢气，成为利用氢能的可行途径。该工艺设备简单，能耗低，易于与车载或固定式聚合物电解质膜燃料电池集成，释放的氢气占重量的18.8%。北京大学化学与分子工程学院马丁课题组，中国科学院山西煤化工研究所温晓东，大连理工大学石川等。结果表明，铂原子分散在面心立方碳化钼(α-moc)上制备的催化剂可用于甲醇的液相重整，并在低温(150-190℃)下表现出较高的制氢活性，每小时可达每摩尔铂18046摩尔氢。这种优越的制氢能力远远高于以前报道的低温甲醇重整催化剂(高出近两个数量级)，关键在于α-moc突出的解离水的能力以及铂和α-moc协同活化重整甲醇的能力。同时，研究团队还突破了水煤气变换制氢工艺(co+h2o=co2+h2)在低温下无法实现高反应转化率和高反应速率的难题，开发了基于au/α-moc的新一代催化工艺。相关研究进展发表于2017年4月6日《自然》[Nature，544 (7648): 80-83]和2017年7月28日《Science》[Science，357 (6349): 389-393]。上述研究进展已被多家科学媒体报道和高度赞扬。美国化学学会cnews杂志和皇家化学学会chemistryworld杂志分别以“氢能:制备氢燃料的新工艺”和“新催化剂点亮氢能汽车的未来”为主题报道了亮点，认为“随着这一高活性催化体系的成功，将氢储存在甲醇中并在必要时进行重整和释放的概念可能会在实践中得到应用，这是氢能储存和运输系统的重大突破。”

6.基于相干纳米沉淀强化开发新一代超高强度钢

超高强度钢在国民经济的重要领域，如航海/航空航天、交通运输、先进核能、国防装备等方面起着支撑作用，也是未来轻量化结构设计和安全防护的关键材料。然而，几十年来，高性能超高强度钢的研究一直基于半相干析出引起强相干畸变的传统学术思想。存在析出物数量有限、析出物尺寸不合理、分布不均匀等固有缺陷，不仅降低了材料的塑性韧性，而且严重影响使用安全。此外，高昂的制备成本也限制了其实际应用，成为困扰高端钢铁行业发展的难题。吕兆平课题组和北京科技大学合作者根据低成本、高性能的目标，创新性地提出了利用高密度相干纳米析出物强韧化超高强度合金的设计思路，用轻质廉价的铝替代马氏体时效钢中钴、钛等昂贵元素，通过简单的热处理，大大降低了成本，促进了极高密度、全相干纳米析出物的产生，开发了新一代相干纳米析出物强化超高强度钢。通过调整晶格失配的程度，析出相具有非常低的相干畸变和高的有序电阻，这极大地提高了合金的强度而不牺牲其延展性。所涉及的颠覆性合金设计思想也可以应用于其他结构材料的研发。相关研究进展发表于2017年4月27日《自然》[Nature，544 (7651): 460-464]。发表在《自然材料》杂志上的一篇专题评论文章指出，这项研究“为研究和开发具有优异强度、塑性和成本的结构材料提供了一条新途径，具有超级马氏体钢、简化合金元素和析出相强化本质的完美设计思想”。

7.利用量子相变的确定性制备多粒子纠缠态

实现多粒子纠缠是量子物理实验研究的主要目标。清华大学物理系的游莉和郑梦坤，通过调整铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的自旋混合过程，实现了含约11000个原子的偶数态的确定性制备。通过直接观察纠缠态，他们的特征是不同内部态之间的原子序数差的涨落低于经典极限10.7±0.6分贝，其集体自旋的归一化长度约为完美的0.99±0.01。这两个指标反映了多体纠缠态可以提供超过标准量子极限约6 dB的相位测量灵敏度，纠缠原子数量至少为910个——创造了目前肯定可以制备的量子纠缠粒子数量的世界纪录。用量子相变的确定性制备多体纠缠态是一种全新的尝试。由于有限系统在连续量子相变点的能隙很小，系统在通过相变点时会产生很大的激发。他们的研究表明，即使发生这种激发，量子相变点两侧不同的多体能级结构仍然有助于制备高质量的多粒子纠缠态。这种新的认识和纠缠态制备方法，为今后其他多粒子纠缠态的制备提供了新的思路。此外，偶数态的确定性制备为测量科学技术超出标准量子极限的实际发展提供了可能，如海森堡极限精度的原子钟、原子干涉仪等。相关研究进展发表于2017年2月10日《科学》[Science，355 (6318): 620-623]。

8.中国发现新的古人类化石

长期以来，古人类学家对我国中更新世晚期至晚更新世早期过渡时期发现的古人类成员的进化地位一直存在争议。争论的焦点是:他们是从当地的远古人类持续进化而来的吗？还是外来人的成功入侵者？最近，在河南荆灵遗址发现了两个距今10.5万年至12.5万年的许昌人头骨化石，为探索现阶段中国古代人的进化模式提供了重要信息。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所课题组吴和美国华盛顿大学eriktrinkaus的研究表明，许昌的颅骨不仅具有东亚古代人类的低脑穹、平矢状面和较低最大颅骨宽度的古老特征，而且具有欧亚大陆西部尼安德特人的枕骨(枕凹/项状)和内耳迷路(半规管)形状，表现出进化的区域连续性和区际性。此外，许昌人的超大脑容量(1800cc)和细长的颅骨结构反映了中更新世人类生物特征演化的总趋势。目前还不能归为任何已知的古人类成员，许昌人可能代表了一种新型的古人类。本研究填补了中国古代人类从古人类向现代早期人类过渡过程中的空白，表明在晚更新世早期中国可能有许多古人类成员共存，不同群体之间存在杂交或基因交换。许昌化石为中国古代人类进化的区域性延续和与欧洲古代人类的交流提供了一定程度的支持。相关研究进展发表于2017年3月3日《科学》[Science，355 (6328): 969-972]。这一研究引起了国内外学术界和媒体的极大关注，国际学术期刊《科学》和《当代生物学》对此发表了专题评论，认为这一研究填补了东亚古代人类从古代人类向早期现代人类过渡过程中空在古代人类进化方面的空白，是中国学者在古代人类研究领域的重大突破。

9.酵母长染色体的精确定制合成

基因组设计与合成是一种全新的基因组设计和从头构建，可以根据需要塑造生命，打开从非生物物质向生物物质转化的大门，促进生命科学研究从认识生命到创造生命的延伸。然而，基因组合成面临着一些困难，如长染色体难以准确合成，合成染色体导致细胞失活。天津大学袁、清华大学、深圳华大基因杨等团队和合作者采用多层次模块化、标准化的人工基因组合成方法，基于一步大片段组装技术和平行染色体合成策略，实现了从核苷酸小分子到活体真核长染色体的定制合成，建立了基于多靶片段共转化和dna大片段重复修复技术的精确基因组修复技术，成功设计构建了4条酿酒酵母长染色体，实现了真核长染色体合成序列和设计序列的完全匹配；首次建立了基因组缺陷目标的快速定位方法，为表型和基因型相关性分析提供了新的策略。通过缺陷靶标的定位和消除，解决了人工基因组导致的细胞失活问题，在此基础上构建了人工环状染色体，为无法治愈的染色体环状疾病的发病机制和潜在治疗建立了研究模型。这项研究为加深对生命进化、基因组和功能之间的关系等基本科学问题的理解提供了新的途径。相关研究进展以四篇论文的形式发表于2017年3月10日《科学》[Science，355 (6329): EAAF 4704，EAAF 4706，EAAF 4791，EAAF 3981]。研究成果引起了国内外专家和媒体的高度关注。Science同时发表专题文章和评论，nature、naturebiotechnology、naturereviewsgenetics、molecularcell等多种期刊发表专题文章或集锦，对这项工作给予了高度评价，认为这是真核基因组第一次完整合成的重要里程碑。

10.开发能够实现自由态脑成像的显微显微成像系统

北京大学膜生物学国家重点实验室程和平、陈梁毅与信息科学与技术学院张云峰、王爱民合作，利用微集成、微光学、超快光纤激光、半导体光电子学等技术，在高时间分辨率空活体成像系统的开发上取得突破性的技术创新，成功研制出2.2克小型化可穿戴双光子荧光显微镜。 这一突破性技术将开辟一个新的研究范式，实现对动物自然行为条件下突触、神经元、神经网络和多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长期观察。 这不仅会“看到”大脑的学习、记忆、决策和思维过程，而且对直观研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑部疾病的神经机制也有重要作用。相关研究进展发表于2017年7月《自然方法》，14 (7): 713-719。这种成像系统被2014年诺贝尔生理学或医学奖得主爱德华·莫瑟称为研究大脑空局部神经系统的革命性新工具。