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燃起来了！2021年中国科技的重大突破！网友：哭了，这就去好好学习
来源：微信公众号“科技日报”（ID：kjrbwx）、微博@中国科学报、@中科院之声、@天津日报、@央视快看、@新华社、@新快报、b站@中科院中国科普博览、抖音@美丽浙江、@中国科学技术大学、中国新闻网
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……
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
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
网友：这也太厉害了
“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
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
“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
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
光存储时间达1小时
向量子U盘迈出重要一步
2021年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》
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、周宗权研究组在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
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
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
“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
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
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
“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
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
“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
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
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》
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
我国科技界取得的多项重要突破离不开那些默默钻研付出的人致敬中国科研工作者！