【总体视野】2016年12个世界前沿基础交叉科学研究进展

2017-03-25 创新研究 信息与电子前沿

本文授权转载自微信平台：创新研究

作者：高晓巍、方伟、曹学伟、王达

来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》第21期（总第147期）2017-03-03/图片来自于互联网

2016年，前沿基础交叉研究的一系列进展令人瞩目。

《科学》列举了人工智能、星系宇宙、生命科学、先进材料、智能制造等方面的最新进展。《自然》也列举了捕捉引力波、世界新秩序、勇踏前人未至之境、CRISPR专利之争等十个影响了2016年的重大科学事件，涉及天文、星系宇宙、生命科学、能源环境、人工智能等领域。中国科协创新战略研究院组织课题组对2016年前沿基础交叉、新型能源、生命科学、新一代信息技术等领域的科技进展进行了系统梳理，并邀请中国材料研究学会、中国电子学会、生命科学学会联合体、中国机械工程学会、中国农学会、中国环境科学学会、中国宇航学会等有关学会及学会联合体专家进行咨询完善，计划联合发布系列报告，本报告主要介绍的是前沿基础交叉研究领域的科技进展。

一、核心数学（Core Mathematics）

美国密苏里中央大学数学家柯蒂斯·库珀（Curtis Cooper）通过“互联网梅森素数大搜索”（Great Internet Mersenne Prime Search,GIMPS）项目，于2016年1月7日找到了目前人类已知的最大素数2^74207281-1，该素数有22338618位，是第49个梅森素数。梅森素数研究能促进分布式计算技术和人类尖端计算能力的发展。而且，现代密码学和其他复杂的数字编码也需要大素数，素数越大，密码被破译的可能性越小。

美国加州大学伯克利分校杰出的数学家Ian Agol在证明稳和问题(Tameness)、虚拟哈肯猜想(Virtual Haken Conjecture)和虚拟纤维猜想(Virtual Fibering Conjecture)等方面取得重要进展，2016年被授予数学突破奖，表彰他在低维拓扑和几何群论方面做出的贡献。

二、类脑计算（Brain Computing）

牛津大学大脑磁共振成像中心利用组织切片方法以及恢复神经元形态的特殊技术，鉴别出15种抑制性神经元，并对神经元间的电生理特性进行描述，绘制出连接图谱，阐明神经元连接机制。[1]

大脑活动与行为机制基础研究也有所进展。牛津大学揭示了让大脑的睡眠翻转的分子机制，或可帮助深入理解睡眠的奥秘。[2]来自莱斯大学和贝勒医学院的神经科学和人工智能专家从人类大脑中获得灵感，创造了一种新的“深度学习”方法，他们对可视化数据建立了半监督学习系统，不需要手把手的培训，使计算机能够以自己的方式学习，就像人类的婴儿一样。[3]

Google旗下DeepMind公司开发的人工智能围棋程序（AlphaGo）在2016年3月的对弈中战胜了世界顶尖棋手李世石（Lee Se-dol）[4]。2016年10月，DeepMind的研究者还推出了另一款人工智能程序可微分神经计算机（DNC），它能将经验学习能力与记忆储存相结合，在没有任何先前知识储备的情况下判断指定点之间的最短路径，相关成果发布在了《自然》杂志上。这意味着人工智能距离执行类似人类的任务（比如推理）又更近了一步。[5]

IBM苏黎世研究中心在2016年8月宣布，他们利用相变材料作为记忆储存来模拟生物大脑存储和处理数据的功能，制造出了世界上首个人工相变神经元，可实现高速无监督学习。这一突破标志着人类在认知计算应用中超密度集成神经形态技术，以及高效节能技术上的发展又向前迈进重要的一步。[6]

美国圣路易斯华盛顿大学的研究团队2016年7月在《自然》上发表了“人类大脑图谱”，其中97个人类大脑皮层区域此前从未描述过，属于首次公布。马修·格拉塞、大卫·冯·埃森和同事借助机器学习技术，根据210位健康年轻成年人的大脑成像数据，绘制出了这幅精确的大脑图谱。这些年轻人都来自人类连接组计划。该图谱对研究自闭症、精神分裂症、痴呆症和癫痫等大脑疾病会是一大福音。[7]

蒂姆•布利斯等3名英国科学家从细胞和分子层面揭示了名为“长时程增强效应”现象背后的运行机制，以及这种现象如何影响人类的学习和记忆能力。他们因在解析人脑记忆相关机制方面的突出贡献，获得2016年“格雷特•伦德贝克欧洲大脑研究奖”。[8]

IBM开发出模拟大脑的芯片TrueNorth，在一块芯片上集成了100万个“神经元”和2.56亿个“突触”，模拟能够处理感觉、视觉、气味以及环境信息的右脑。[9]

三、凝聚态物质科学（Condensed Matter Sciences）

哥伦比亚大学的Cory Dean等人2016年9月在《自然》上发文，他们利用石墨烯自身的边缘作为原子级平整的边界，克服了界面散射的问题，成功观察到电子的负折射现象。电子负折射技术和石墨烯PN结不仅存在许多潜在的应用，而且制备原子级平整的界面技术也对未来的器件制造提供了启发性的借鉴意义。[10]

Edouard Lesne等学者2016年8月在《自然·材料》上发文，表示他们通过铁磁坡莫合金FeNi层向LaAlO3/SrTiO3界面注入自旋电流，发生自旋向电荷转化，并通过样品两端产生的电压探测到了电荷的积累，之前在Ag/Bi（111）的界面处也观察到因自旋轨道相互作用引起自旋电荷转化，但这次的转化效率高出了一个数量级。当电荷密度超过一定阈值后，界面处显现出超导特性，而超导的转变温度同样可以通过适当的偏压来调控。[10]

上海交通大学贾金锋研究组、浙江大学许祝安和张富春研究组、南京大学李绍春研究组及美国麻省理工学院傅亮研究组等合作，通过巧妙的实验设计，用更灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费米子的重要证据，这种粒子是未来制造量子计算机可能的候选对象。该成果发表在2016年6月21日《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。[10]

南京大学陈延峰、卢明辉和刘晓平等学者的研究在2016年12月首次实现了在不需要激发和制备出单一声赝自旋的情况下，验证并实现了声子的量子自旋霍尔效应。这项发现不仅为声学拓扑现象的研究提供了新路径，同时也有望应用于未来的噪声消除技术。该成果发表在《自然·物理》杂志上。[10]

芬兰阿尔托大学和俄罗斯卡皮查研究院的物理学家2016年12月在《物理评论快报》上发文，表明科研团队已成功地在氦III的新相中观察到了半量子涡旋。[10]

四、基本粒子（Elementary Particle）

美国费米实验室的科学家首次发现由底、奇、上、下四味不同夸克构成的四夸克粒子“X（5568）”。四夸克粒子家族这一独特成员的出现，将帮助理论学家们建立模型。通过测量该粒子的衰变方式或自旋等属性，科学家将刷新对四夸克粒子的理解，并进一步洞悉让夸克紧密结合在一起的强作用力。

橡树岭国家实验室领导下的科研团队在2016年4月的《自然·材料》上发文称，他们在一种类似石墨烯的二维材料中首次测量到了被称为“马约拉那纳费米子”（Majoranafermion）的分数化粒子。这个结果与基塔耶夫模型（Kitaev Model），即量子自旋液体的主要理论模型相符，这使得量子物态中又多了新的一员，将会推动量子计算的发展。[11,12]

五、星系宇宙学（Galaxy Cosmology）

加州理工大学的科学家发表了研究成果，称发现冥王星以外存在着巨大的第9颗行星（Planet X）的证据。他们称这颗行星很可能是地球质量的2~15倍。[13]

美国宇航局的科学家在2016年4月发现了一颗在地球轨道上稳定下来的小行星，它成为了地球附近的伴星，或者是第二颗卫星。[13]

伦敦玛丽王后大学（Queen Mary University of London）由Guillem Anglada-Escude博士带领30位天文学家组成的国际研究团队在2016年8月宣布发现了宜居行星Proxima b，它拥有能孕育生命的环境，且距离地球仅约4光年，它的发现为人类进一步探索和研究宜居星球奠定了基础。[14]

由天文学家组成的国际科研团队在《天体物理学》上发表文章，称蜻蜓44星系（Dragonfly 44）几乎99.99%都是由暗物质组成，这为天文学家研究什么是暗物质，以及暗物质为什么存在提供了研究基础。[15]

苏格兰西部大学的物理学家2016年6月发现了一个梨形核，颠覆了先前的理论。根据科学家发现的梨形核，它的尖端指向一个特定的方向。他们认为，这个方向是所有时空移动的方式，正因为如此，没有其他方向的时间或空间可以去，从而不可能实现时空旅行。[16]

六、引力波天文学（Gravitational Wave Astronomy）

美国国家自然科学基金会与加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织(包含GEO600组织和澳大利亚干涉引力天文协会)的专家利用激光干涉引力波观测台（LIGO）在2016年2月11日首次探测到引力波，分别来自29倍太阳质量与36倍太阳质量的两个黑洞。6月15日，LIGO再次捕捉到引力波信号，虽然比首次探测到的信号要弱，但置信度高达5西格玛，并将相关研究成果发表在美国《物理学评论通讯》杂志上。12月初，LIGO完成重新升级工作，在对其激光器、电子回路和光学设备升级后，它的观测时长和灵敏度进一步提高。引力波的发现是物理学界里程碑式的重大成果，它应验了100年前爱因斯坦的预测，并为人类探索宇宙的引力波天文学开辟了新的道路。[17]

七、超导量子（Superconducting Quantum）

美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究团队2016年10月用碳纳米管和二硫化钼制备的晶体管的尺寸缩小到1纳米，是目前世界上最小的晶体管。相比于最小尺寸为20纳米的硅晶体管，碳纳米管晶体管可极大提高集成电路晶体管密度，将芯片处理速度提高1000倍。这项技术将有力推进碳纳米管晶体管在超大规模集成电路芯片技术中的应用，相关研究成果已发表在《科学》上。[18]

美国劳伦斯利弗莫国家实验室（LLNL）和加州大学分校科学家2016年8月首次使用超轻的石墨烯凝胶3D打印出可以保留能量的超级电容器，其厚度是当前使用电极制造的同类电容的1/10~1/100。为高效能源存储器在智能手机、可穿戴设备、可植入设备、电动汽车和无线传感器的应用开辟了新的途径。

澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）科研团队2016年10月在《自然·纳米技术》中发表了最新成果，开发出了新型量子比特，相比目前保留时间最长、最稳定的量子态叠加，稳定性获得了10倍的提升。[19]

2016年11月，曼彻斯特大学和诺丁汉大学的研究人员合成纳米级超薄硒化铟（Indium Selinide，InSe），它可以做得只有几层原子那么薄，十分接近石墨烯，而且拥有比石墨烯更好的半导体属性。硒化铟能隙大，做成的晶体管可以很容易地开启和关闭，是未来代替硅制作电子芯片的理想材料。相关研究成果发表在学术期刊《自然·纳米技术》上。[20]

八、光场调控（Light Field Regulation）

凯斯西储大学2016年3月在《自然·材料》中发文称，他们开发出一种比目前最好的光学传感器的灵敏度高出一百万倍的光学传感器，有助于早期癌症检测。[21]

莱斯大学和奥地利格拉茨大学的科学家2016年6月在美国化学学会的《物理化学》（The Journal of Physical Chemistry C）杂志上发表文章称，他们用光驱动了单分子纳米小汽车，并且首次看到了它们是如何移动的。莱斯大学的科学家用特定波长的光来驱使纳米车沿着铜表面移动，用光来提供能量，使它们开到任何一个光能找到的地方。[22]

九、量子光学（Quantum Optics）

英国剑桥大学研究团队2016年6月在《自然》上发文称，他们将能量在光和分子之间来回振荡，形成一种分子和光的量子态强耦合。这一成果有助于开发量子技术，以及能控制物质物理和化学性质的新方法。[23]

英国帝国理工大学的研究者2016年8月在《自然·通信》上发文称，通过将光和单个电子“绑”在一起，或可制造出一种新形式的“耦合”光，同时拥有光和电子的属性。这种光能升级，使这一现象更容易被观察到，并且也能使科学家在室温下研究这些量子现象。[23]

加拿大滑铁卢大学量子计算研究所(IQC)的科学家创造了迄今最强的光—物质耦合新纪录,强度是之前的10倍多。研究人员表示,发表在《自然·物理学》杂志上的这一最新成果,将使很多目前无法进行的物理学研究成为可能。鲍尔·弗恩-戴兹领导的研究团队构建了一个铝电路,接着将其放入稀释制冷剂内,让其冷却到绝对零度之上百分之一摄氏度。在如此寒冷的温度下,电路具有超导特性,这意味着电流经过它们时没有电阻或者不会失去能量。这些铝电路中所谓的超导量子比特遵循量子力学法则，而且其行为类似人造原子。光和量子比特之间这种强烈的量子耦合,有助于科学家们进一步探索与生物过程、高温超导等奇特材料甚至相对论有关的物理学研究。

十、计算化学（Computational Chemistry）

美国橡树岭国家实验室的科学家2016年4月在《物理评论快报》发文称，他们利用中子散射和从头计算模拟，发现了水分子的新物态，即如果将一个水分子塞入绿柱石内部0.5纳米宽，0.9纳米长的六棱柱空隙中，水分子展现出量子隧穿效益，成为离域分子。[24]

十一、新能源化学（New Energy Chemistry）

德国科学家2016年2月成功开启了世界上最大的“仿星器”核聚变反应堆“文德尔施泰因7-X”（简称W7-X）。在2015年12月进行氦等离子体测试后，2016年2月首次成功的产生了了氢等离子体。[25]

中国海洋大学唐群委团队2016年4月在《应用化学》发文称，开发出一种石墨烯材料能使太阳能电池在雨天也能发电。该项研究有助于延长太阳能电池的潜在发电时间，在雨量充沛且光照不足的地区能发挥更大作用。[26]

由欧盟6个成员国意大利、德国、西班牙、葡萄牙、奥地利和瑞士的跨学科科研人员组成的欧洲PHOCS科研团队，最新研制的有机半导体材料光电化学制氢系统原型，将稳定制氢时间提高到前所未有的3小时，创造了新的世界纪录。该项发现可应用于光伏电子、有机生物电子、光电探测和有机半导体等，促进低碳经济转型升级。

十二、纳米生物（Nano Biology）

美国麻省理工学院对外宣布，该校研究团队通过创建人工合成细胞，将不同基因电路隔离，防止它们相互干扰。此外，研究人员还可以控制这些细胞之间的通讯，允许电路或产物在特定时间内结合。这是一种通过建立墙使多组遗传电路不会产生干扰的方式，即使将它们都放入同一个单细胞中，这些遗传电路也不会产生干扰。该技术使得研究人员可以创建更为复杂的基因电路。这项研究被发表在2016年11月14日的《自然·化学》上。

芬兰科研人员研究发现，DNA（脱氧核糖核酸）支架无需低温环境，就能够自组装成固定模型，并将纳米颗粒融合到功能性结构中，集成单电子器件。相关成果发表在近期《纳米通讯》杂志上。芬兰韦斯屈莱大学纳米科学中心和坦佩雷大学生物医学技术中心的研究人员，使用DNA支架将3个金纳米粒子组装到单电子晶体管中。DNA支架此前曾被用来将金纳米颗粒组织成图案，但这次的工作首次表明，DNA支架可被用于构建精确的、可控的、完全具备电气特征的单电子纳米器件，使其无需在低温下也能正常工作。

参考文献:

[1] 韩雪. 神经科学和类脑人工智能发展：机遇与挑战[J]. 生命科学, 2016, 28(11): 1296-1307.

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[3] Rice University. Rice, Baylor team sets new mark for 'deep learning'[EB/OL]. [2016-12-16]. https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-12/ru-rbt121616.php.

[4] Google’s AI beats world Go champion in first of five matches[EB/OL]. [2016-3-9]. http://www.bbc.co.uk/news/technology-35761246.

[5] JEREMY HSU. Google's Deep Mind Gives AI a Memory Boost That Lets It Navigate London's Underground[EB/OL].[2016-10-12].http://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/software/googles-deep-mind-boosts-memory-to-navigate-london-underground.

[6] 万南. IBM造出世界首个纳米随机相变神经元：自主学习[EB/OL].[2016-8-14].http://news.mydrivers.com/1/494/494202.htm.

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[14] The 7 greatest scientific breakthroughs of 2016[EB/OL].[2017-1-1].https://www.rt.com/viral/372402-2016-science-breakthrough-discoveries/.

[15] LUKE LARSEN. The 10 Best Scientific Discoveries of 2016[EB/OL].[2016-12-21].https://www.pastemagazine.com/articles/2016/12/the-10-best-scientific-discoveries-of-2016.html.

[16] The Greatest Scientific Breakthroughs of 2016[EB/OL].http://www.ranker.com/list/greatest-scientific-breakthroughs-2016/amylindorff.

[17] LIGO's gravitational-wave discovery is Physics World 2016 Breakthrough of the Year[EB/OL].[2016-12-12].http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/12/ligo-gravitational-wave-discovery-is-physics-world-2016-breakthrough-of-the-year.

[18] Smallest. Transistor. Ever[EB/OL].[2016-10-6]https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161006140546.htm.

[19] Quantum computers: 10-fold boost in stability achieved[EB/OL].[2016-10-18].https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-computers-10-fold-boost-stability-achieved.

[20] BANDURIN D A, TYURNINA A V, YU G L, et al. High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe[J]. Nature Nanotechnology, 2016.

[21] A biosensor that’s 1 million times more sensitive[EB/OL].[2016-3-29].http://www.kurzweilai.net/a-biosensor- thats-1-million-times-more-sensitive.

[22] Nanocars taken for a rough ride: Single-molecule cars tested in open air[EB/OL].[2016-6-1].https://www.sciencedaily.com/releases/2016/06/160601112553.htm.

[23] Nano ‘hall of mirrors’ causes molecules to mix with light.[2016-6-13].http://www.cam.ac.uk/research/news/nano-hall-of-mirrors-causes-molecules-to-mix-with-light.

[24] Quantum Tunneling of Water in Beryl: A New State of the Water Molecule[EB/OL].[2016-4-22].http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.167802.

[25] Nuclear fusion device's 1st test with hydrogen declared a success[EB/OL].[2016-2-3].http://www.cbc.ca/news/technology/nuclear-fusion-greifswald-1.3431541.

[26] Future Solar Panels Will Generate Energy From Raindrops[EB/OL].[2016-4-9].http://sciencenewsjournal.com/future-solar-panels-will-generate-energy-raindrops/.

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