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科技界的2021:“人造太阳”破世界纪录、“中国天眼”迎全球科学家

2021-12-31 17:10 来源:科技日报

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……

这一年,是科技工作者们步履不停的一年,他们在追寻科学真理的道路上百折不挠,不断刷新着人类所能达到的新高度。科技界必将乘着时代的东风再启航,向着更加多姿多彩的未来昂首前进。

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。

“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。

“中国天眼”迎全球科学家

3月底开始征集观测申请

“中国天眼”3月31日起向全球天文学家征集观测申请。新华社记者欧东衢 摄

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。

光存储时间达1小时

向量子U盘迈出重要一步

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。

“人造太阳”刷新世界纪录

实现可重复1.2亿℃燃烧101秒

“人造太阳”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。新华社记者周牧 摄

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。

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,提升我国的国际话语权。

“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。

“甩开”光合作用合成淀粉

节约资源同时提升生产效率

中国科学家在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。新华社记者金立旺 摄

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。

来源:科技日报

[ 编辑: 何美荣 ]
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2022-01-22 09:07
新加坡抗疫跨部门工作小组21日举行发布会宣布,12岁至17岁的青少年2月初可开始接种新冠疫苗追加剂。从3月14日起,在完成基础疫苗接种后的270天内未接种追加剂者,将被视为未完全接种,基础疫苗接种为两剂。
2022-01-22 09:35
叙利亚库尔德武装主导的“叙利亚民主军”21日证实,极端组织武装分子20日在叙利亚东北部哈塞克省首府哈塞克市对一座监狱发动袭击,妄图协助在押的极端组织成员越狱。
2022-01-22 09:35
伊拉克武装部队发言人当地时间1月21日晚表示,伊反恐部队进行了系列行动,共抓获6名恐怖分子。抓捕行动在该国尼尼微省、巴格达省、基尔库克省以及埃尔比勒省相继展开,被逮捕人员中包括一名恐怖团伙头目。
2022-01-22 09:35
日本九州岛附近海域发生6.4级地震
1月22日00时08分在日本九州岛附近海域(北纬32.64度,东经132.09度)发生6.4级地震,震源深度40千米。
2022-01-22 09:07
260人组成,日本冬奥代表团宣布成立
1月20日,日本奥委会公布了参加北京冬奥会的代表团名单,代表团由260人组成,其中运动员122人,他们将参加除了雪车之外的六个大项的比赛。
2022-01-22 14:29
2022年1月20日晚18:00,润田翠杯2021第二届江西省男子篮球联赛总决赛第三回合也是决胜回合比赛在省直机关队主场南昌大学前湖校区篮球馆进行。
2022-01-22 14:34
“飞临”探秘冬奥场馆:“最美的冰”在此起舞
首都体育馆修建于1968年,在建成后的54年时间里,从中国冰球队的历史性突破到北京夏季奥运会的排球主赛场,首都体育馆见证了中国体育壮大和许多历史性时刻。
2022-01-22 14:32
门还没有完全打开,歌声抢先“挤”了进来。紧随着,一位个子很高,身穿印有北京冬奥logo的运动服,身材纤瘦,鼻梁高挺的白皮肤大男孩阔步走进采访间,径直坐在离记者最近的位置上。
2022-01-22 14:30
记者21日从北京冬奥组委获悉:北京冬奥会火炬传递将于2月2日至4日在北京、延庆、张家口三赛区进行。北京冬残奥会火炬接力将于3月2日至4日进行。
2022-01-22 14:29
北京时间1月21日,国际滑雪联合会(FIS)、国际滑冰联盟(ISU)、国际冬季两项联盟(IBU)等七个国际单项体育组织,分别在其官网上公布了北京2022年冬奥会参赛资格确认及再分配方案。
2022-01-22 14:29
加拿大奥委会当地时间1月21日公布了参加北京冬奥会的跳台滑雪队和高山滑雪与越野滑雪队的名单。
2022-01-22 11:59
爱沙尼亚奥委会21日确认参加北京冬奥会的爱沙尼亚代表团名单,其中26名运动员将参加8个项目的比赛。
2022-01-22 11:47
据韩联社报道,韩国冰上竞技联盟20日确定了北京冬奥会短道速滑比赛参赛名单,崔敏静、黄大宪等韩国名将出战,沈石溪、金智有无缘冬奥赛场。
2022-01-22 11:47
“球王”贝利因结肠癌再次接受化疗后出院 院方称其健康状况稳定
当地时间1月20日晚间,巴西圣保罗市爱因斯坦医院发布公告称,现年81岁的巴西“球王”贝利于19日再次入院接受结肠肿瘤手术后的化疗,并于20日晚间出院,院方称目前贝利的健康状况稳定。
2022-01-22 11:47
“每当我走在街上,时常被从不同方向飞奔而来的电动车吓了一跳又一跳。”广东省政协十二届五次会议第一场“委员通道”开启,首位发言的省政协委员毕亚林关注的就是外卖小哥为抢时间“拿生命送餐”的问题。
2022-01-21 14:19
近日,有广东省政协委员建议大面积增加高中学位,争取国家授权广东部分城市试点将高中教育纳入义务教育。
2022-01-21 14:19
平安春运,人人都是第一责任人
2022年春运已经正式开启。疫情防控常态化之下,春运既是交通运输系统的开年大考,也是对个人防疫意识和能力的一次大考。护航春运安全,实现健康春运,人人都是第一责任人。
2022-01-21 14:19
据媒体日前报道,有网友爆料称,有用户在B站(哔哩哔哩弹幕网)上传疑似专门破解盗取的学校、医院等公共场所的监控视频,视频下的评论十分不堪。
2022-01-21 14:17
日前,一则男子家暴妻子的视频在网上流传。在将近两分钟的视频中,男子当着孩子的面,连续殴打妻子。
2022-01-21 14:17
加速产业成长,为预制菜添香
年关将至,预制菜概念股连续大涨。财经媒体全方位多角度剖析了预制菜产业及市场的历史、现状和未来。
2022-01-21 14:17
崇善行善,大城大爱
未来之路,锚定共同富裕目标。
2022-01-21 08:32
总而言之,全面加强平台经济监管,解决平台经济发展中存在的各项问题,必将激活平台经济新活力,更好地赋能高质量发展与高品质生活。
2022-01-21 08:30
近日起,广州市海珠区面向疫情发生时期需要按时就医者,展开了未雨绸缪式的全面摸查,但居民生活如常、不慌不忙。有市民感叹:平常心,这很广州!
2022-01-20 11:26
近年来,随着“直播带货”“盲盒经济”的持续火爆,一些图书出版机构也趁热推出了“图书盲盒”“直播卖书”等新玩法。
2022-01-20 11:26
14:05 21日广州新增境外输入确诊4例 无症状感染者1例
21日广州新增境外输入确诊4例 无症状感染者1例
2022年1月21日0时至24时,全市新增境外输入确诊病例4例和境外输入无症状感染者1例。新增出院病例7例。尚在院治疗134例。 [详细]
14:05 快速查询、自动定位 番禺区推出核酸检测采样点地图
快速查询、自动定位 番禺区推出核酸检测采样点地图
记者22日获悉,春节临近,为方便返乡返穗人员快速查询核酸检测采样点,番禺区推出“番禺区核酸检测采样点地图”。 [详细]
14:04 正式上线!今年黄埔区云上花市玩出新年新“花样”
正式上线!今年黄埔区云上花市玩出新年新“花样”
广州过年,花城看花!新春佳节就要到来,黄埔2022年迎春花市开张。2022年黄埔区云上花市小程序于1月22日正式上线。黄埔区按照“线上为主、线下为辅”的原则,开展2022年迎春花市鲜花售卖活动。 [详细]
08:25 胖了20斤、头发稀疏……抗疫两年,广州疾控人变了
胖了20斤、头发稀疏……抗疫两年,广州疾控人变了
在新冠肺炎疫情发生后,广州不断总结提升防控工作,针对疫情初期流调力量不足的短板,组建起了近1500人市级流调队伍,可随时调度,每个区级还有100多人流调队伍可作增援。 [详细]
08:20 @天河人,这些民生大礼包请查收 事关教育、医疗等
@天河人,这些民生大礼包请查收 事关教育、医疗等
1月21日,广州市天河区第十届人民代表大会第二次会议开幕。会上,政府工作报告总结了过去一年来的成绩,明确了今年的主要目标和任务。 [详细]
20:47 看到这标志,车辆可根据标牌临时借用路肩通行
看到这标志,车辆可根据标牌临时借用路肩通行
在广州交投集团大广高速上,却有几个地方立着“路肩可借道通行”的牌子,这是怎么一回事? [详细]
20:45 温暖回家路!广州开出首趟广西务工人员爱心专列
温暖回家路!广州开出首趟广西务工人员爱心专列
1月21日13时8分,广州南至百色的D3614列车,运载着613名外来工旅客,缓缓从广州南站出发,一路向南宁东站驶去。 [详细]