今年是科技工作者不斷進步的一年。他們堅持不懈地追求科學真理，不斷創(chuàng)造人類可以達到的新高度?？萍冀绫貙⒊酥鴷r代東風再次揚帆起航，駛向更加絢麗多彩的未來。
1
恢復水稻“祖先”基因
幫助培育更好的水稻品種
從無到有快速馴化異源四倍體野生稻，利用多倍體優(yōu)勢，找回目前栽培稻中已經丟失的部分優(yōu)良基因，培育產量更高、環(huán)境適應性更強的新型水稻作物—— 中國科學院種子創(chuàng)新研究遺傳與發(fā)育生物學研究所李家陽團隊及合作者取得的這一突破性進展于2月4日發(fā)表在國際知名學術期刊《細胞》上。
多倍化是植物進化的重要機制。我們今天種植的栽培稻經歷了幾千年的人工馴化，其農藝性狀不斷得到改善。然而，它也喪失了大量的遺傳多樣性，導致優(yōu)勢遺傳資源缺乏。異源四倍體比二倍體多兩個染色體組。異源四倍體野生稻具有生物量大、自交雜交、環(huán)境適應性強等優(yōu)點。但其非馴化的特性也使其無法直接用于農業(yè)生產。
從綜合性能較好的四倍體野生稻入手，李家陽團隊利用現(xiàn)代基因組編輯技術，在短時間內“重演”了水稻數(shù)千年至數(shù)萬年的馴化歷史，并避免了部分基因的丟失。該論文首次設計完成，為異源四倍體野生稻的快速從頭馴化提供了框架，有望培育出高產、環(huán)境適應性強的新型水稻作物。研究團隊突破了基因組分析、高效遺傳轉化、高效基因組編輯等技術瓶頸。他們注釋了異源四倍體高稈野生稻基因組中的一系列馴化基因和重要農藝性狀基因，并成功創(chuàng)制了粒粒落粒減少、芒長減少的新產品。各種基因組編輯的異源四倍體野生稻材料變得更短，株高降低，粒長更長，莖粗大，抽穗時間不同程度縮短。
2
《九章》《祖沖之》上映
在兩個物理系統(tǒng)中實現(xiàn)量子優(yōu)越性
發(fā)展具有實用價值的量子計算機一直是量子計算領域最重要的發(fā)展目標之一，也是各國競爭的焦點。過去一年，我國在量子計算機研發(fā)領域取得多項重大進展。
2月27日，國際權威期刊《科學進展》發(fā)表了該結果。國防科技大學、軍事科學院、中山大學等機構研究人員研制的新型可編程硅基光量子計算芯片，實現(xiàn)了各類圖論問題的求解。量子算法解決方案未來有望應用于大數(shù)據處理等領域。
5月7日，《科學》雜志發(fā)表了中國科學技術大學潘建偉團隊的研究成果。他們成功研制出量子計算原型“祖沖之”，操縱62個超導量子比特。在此基礎上，他們實現(xiàn)了可編程二維量子行走。這一成果為在超導量子系統(tǒng)上實現(xiàn)量子優(yōu)越性以及后續(xù)量子計算研究奠定了技術基礎，具有巨大的實用價值。
二維超導量子位芯片的示意圖。每個橙色十字代表一個量子位。圖片來源：潘建偉團隊
10月底，潘建偉團隊進一步研制出66位可編程超導量子計算原型機“祖沖智2.0”，實現(xiàn)了量子計算在隨機線采樣任務中的優(yōu)越性。完成的任務難度比谷歌2019年的“懸鈴木”高出2-3個數(shù)量級。
與此同時，潘建偉團隊升級版的“九丈2.0”也大幅提升了量子優(yōu)勢。對于高斯玻色采樣問題，一年前的“九丈”可以在一分鐘內完成任務，堪稱世界上最強大的。一臺超級計算機需要數(shù)億年才能完成； 《九章2.0》一分鐘就能完成的任務，需要超級計算機數(shù)百億倍的時間。并且《九章2.0》還具備部分可編程能力。
“九章2.0”和“祖沖之2.0”的出現(xiàn)，使我國成為唯一在兩個物理體系上實現(xiàn)量子計算優(yōu)勢的國家。
3
“中國天眼”迎來全球科學家
觀察申請將于3月底開始收集
本著開放天空的原則，被譽為“中國天眼”的國家重大科技基礎設施500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）將于2019年12月1日起向世界各國天文學家發(fā)出邀請。北京時間2021年3月31日0:00起。對于觀察申請，所有國外申請項目都將參加審查。觀察期從今年8月開始。
中國天眼位于貴州省黔南州平塘縣大窩蕩。于2016年建成，是世界上具有自主知識產權的最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。射電望遠鏡與光學望遠鏡相同?？讖皆酱螅邮盏降碾姶挪ㄔ蕉?，靈敏度越高，探測能力越強。借此，中國的天眼可以監(jiān)測宇宙中的微弱無線電信號。
中國天眼設施自通過國家驗收并投入運營以來，運行穩(wěn)定可靠。發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已達500多顆，快速射電暴等研究領域取得重大突破。中國天眼的開發(fā)建設不僅體現(xiàn)了我國的自主創(chuàng)新能力，而且推動了天線制造技術、微波電子技術、并聯(lián)機器人、大型結構工程、高新技術等諸多高科技領域的發(fā)展。公里范圍內的精密動態(tài)測量。
中國科學院院士、FAST科學委員會主任吳祥平表示，F(xiàn)AST向世界開放，體現(xiàn)了充分合作的理念和人類命運共同體理念的實踐。
4
用液氦創(chuàng)造一個-271C的世界
大型低溫制冷設備“中國制造”
4月15日，由中國科學院理化研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”（以下簡稱“中國科學院理化研究所）通過驗收和成果鑒定。項目成果鑒定專家組認為，該項目整體技術達到國際先進水平。這標志著我國具備研制液氦溫度（-269）千瓦級和超流氦溫度（-271）百瓦級大型低溫制冷設備的能力。
液氦是創(chuàng)造超低溫的“神器”。隨著社會經濟的快速發(fā)展，我國已成為大型低溫制冷設備的主要用戶。但由于缺乏大型低溫制冷系統(tǒng)、關鍵分裝備和集成技術，我國大型低溫制冷設備長期被國外壟斷，高度依賴進口。
2015年12月，中科院理化研究所開始從液氦到超流氦的大型低溫制冷設備研制?；趲资甑牡蜏丶夹g積累，經過五年的努力，堅持走自主創(chuàng)新之路，終于成功研發(fā)出技術指標先進的大型氦制冷機。
5
光存儲時間長達1小時
邁向量子USB 閃存驅動器的重要一步
4月，中國科學技術大學郭光燦團隊李傳峰、周宗全研究組將光存儲時間提高到一小時，大幅打破德國團隊創(chuàng)下的光存儲一分鐘的世界紀錄2013年，向實現(xiàn)量子USB閃存盤邁出了重要一步。該成果于4月下旬發(fā)表在權威學術期刊《自然·通訊》上。
光已成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕据d體。光速高達每秒30萬公里。 “降低”光速，甚至“阻止”光速，一直是國際學術界孜孜以求的目標。光的存儲在量子通信領域尤為重要。通過將光子存儲在超長壽命的量子存儲器，即量子U盤中，可以通過直接傳輸量子U盤來傳輸量子信息?？紤]到飛機、高鐵等交通工具的速度，量子U盤的光存儲時間至少需要在小時量級。
2015年，李傳峰和周宗全課題組搭建了自己的光學拉曼外差探測核磁共振波譜儀。依托該儀器，他們準確表征了摻銪硅酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量，并從理論上預測了塞曼零效應（ZEFOZ）磁場下的一階能級結構。
未來，依靠更加成熟的量子U盤，人類有望實現(xiàn)基于經典交通工具的量子信息傳輸，從而建立新的量子通道。
6
“人造太陽”打破世界紀錄
實現(xiàn)1.2億攝氏度101秒的重復燃燒
5月28日，中國科學院合肥物質科學研究院傳來好消息。被譽為“人造太陽”的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實現(xiàn)新突破，成功實現(xiàn)可重復1.2億攝氏度101秒和20秒1.6億攝氏度等離子體運行，創(chuàng)下新紀錄托卡馬克實驗裝置運行世界紀錄，向核聚變能源應用邁出重要一步。
地球上萬物生長所依賴的光和熱，都來自于太陽核聚變反應后釋放的能量。支持這種聚變反應的燃料氘，在地球上儲量極其豐富，足夠人類使用數(shù)百億年。如果能夠用氘制造“人造太陽”來發(fā)電，人類有望實現(xiàn)完全的能源自由。
但創(chuàng)造“人造太陽”面臨著一個突出的現(xiàn)實問題：應該用什么容器來承載核聚變？在人工控制條件下，等離子體的離子溫度需要達到1億攝氏度以上。目前，地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度超過3000。這意味著需要打造一種能夠同時承載大電流、強磁場、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復雜環(huán)境的器件，這對工藝設計和制造提出了極高的要求。材料。
為了滿足聚變實驗裝置所需的條件，EAST團隊的科技工作者自主創(chuàng)新，自主設計開發(fā)了大部分具有自主知識產權的關鍵技術，創(chuàng)造性地完成了EAST裝置主機的總體工程設計。世界新一代全超導托卡馬克核聚變實驗裝置在我國首次建成并正式投入運行，為未來清潔能源利用和發(fā)展提供了實驗研究平臺。
7
地球模擬裝置啟動
看清地球的過去、現(xiàn)在和未來
6月23日，國家重大科技基礎設施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”在北京懷柔科學城揭牌。這是我國研制成功的第一個具有自主知識產權的地球系統(tǒng)模擬大型科學裝置。
地球系統(tǒng)模擬裝置又稱地球模擬實驗室，以地球系統(tǒng)觀測數(shù)據為基礎，利用描述地球系統(tǒng)物理、化學和生命過程及其演化的規(guī)律，對地球系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。在超級計算機上執(zhí)行。大規(guī)模科學計算。這使得科學家能夠重建地球的過去，模擬地球的現(xiàn)在，并預測地球的未來。
新建成的地球模擬實驗室整體性能可與國際先進水平相媲美。它是我國首個具有自主知識產權、以地球系統(tǒng)各圈數(shù)值模擬軟件為核心、軟硬件協(xié)同設計、規(guī)模宏大、綜合技術水平高的項目。全球領先的專用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。它具有模擬地球表面各層的能力，可以更全面地考慮地球系統(tǒng)的各種過程。特別是在當前最緊迫的氣候變化應對和碳中和領域，該系統(tǒng)可以全方位關注全球生態(tài)和生物地球化學過程及其與氣候系統(tǒng)的相互作用，并在此基礎上建立“生態(tài)-溫度- “二氧化碳濃度與碳排放量”之間的明確關系，為溫室氣體核算和未來變暖預測提供了有力的模擬支撐，有助于實現(xiàn)碳峰值和碳中和愿景目標，也將為我國未來在該領域的談判提供基礎。氣候環(huán)境問題，提升我國國際話語權。
8
“冰光纖”問世
它可以靈活彎曲并有效導光。
7月9日，權威學術期刊《科學》發(fā)表成果顯示，浙江大學光電科學與工程學院童利民教授團隊聯(lián)合浙江大學交叉力學中心、加州大學研究人員，伯克利分校，在-50環(huán)境下，制備出高質量的冰單晶微納光纖。它可以靈活彎曲，傳輸光損耗低，其性能與玻璃光纖相似。
光纖作為一種限制和自由傳輸光的功能結構，是目前光場操控最有效的工具之一。二氧化硅（硅砂）是常規(guī)玻璃光纖的主要成分，是地殼中含量最豐富的物質之一。但事實上，在地球和許多地外天體上，比石英砂更常見的物質是冰或液態(tài)水。因此，利用冰制備光纖具有廣闊的應用前景。
在這項研究中，童利民團隊構建了自己的生長裝置。他們在大量實驗的基礎上，改進了現(xiàn)有的電場誘導制備冰晶的方法。在低溫高壓電場中，輔以一定的濕度條件，利用靜電促使水分子向電場方向運動，改變其無序運動狀態(tài)，從而誘導單晶生長。最終在-50環(huán)境下成功制備出直徑800納米至10微米的冰單晶微納光纖。而且，團隊還利用新發(fā)明的低溫微納操控與轉移技術，在-150環(huán)境下，冰微納纖維實現(xiàn)了10.9%的彈性應變，接近理論彈性冰的極限。
佟利民認為，這項研究成果將拓展人們對冰認識的邊界，啟發(fā)人們開展冰基光纖在光傳輸、光傳感、冰物理等方面的研究，以及發(fā)展微光光纖。適合特殊環(huán)境的納米級冰。基礎技術。
9
“甩掉”光合淀粉
節(jié)省資源的同時提高生產效率
9月23日，中國科學院公布重大成果。該院天津工業(yè)生物技術研究所的研究人員提出了一種不依賴植物光合作用的破壞性淀粉制備方法。它利用電解產生的二氧化碳和氫氣為原料，成功生產淀粉。這是世界上首次實現(xiàn)二氧化碳排放。淀粉的從頭合成使得淀粉生產從傳統(tǒng)的農業(yè)種植模式轉變?yōu)楣I(yè)化作坊生產模式成為可能。相關研究成果于9月24日在線發(fā)表于《科學》期刊上。
淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳合成。在玉米等農作物中，將二氧化碳轉化為淀粉涉及60多個代謝反應步驟和復雜的生理調節(jié)。太陽能的理論利用效率不超過2%。農作物的種植需要幾個月的時間，并使用大量的土地、淡水、肥料和其他資源。
為了提高生產效率，中國科學院天津工業(yè)生物研究所的研究人員從零開始設計了一種新的非自然二氧化碳固定和人工淀粉合成的11步主反應方法，實現(xiàn)了從二氧化碳到人工淀粉的全合成。首次在實驗室中研究淀粉分子。該人工途徑的淀粉合成率是玉米淀粉的8.5倍。并且在能源供應充足的情況下，按照目前的技術參數(shù)，1立方米生物反應器的理論淀粉年產量相當于我國5畝土地種植玉米的平均年產量。
10
證明凱勒幾何的核心猜想
解決數(shù)學60多年來的“懸案”
11月初，中國科學技術大學幾何物理中心主任陳秀雄教授與合作者程景瑞在偏微分方程和復幾何領域取得里程碑式成果。他們求解了一個四階完全非線性橢圓方程，并成功證明了強制猜想。和測地穩(wěn)定猜想這兩個國際數(shù)學界60多年來懸而未決的核心猜想，解決了凱勒流形上常標量曲率測度和卡拉比極值測度相關的幾個著名問題。在國際知名期刊《美國數(shù)學會雜志》上發(fā)表論文兩篇。
凱勒流形上常標量曲率測度的存在一直是過去60 年來幾何學的核心問題之一。關于它的存在性，有著名的三個猜想：——穩(wěn)定性猜想、強制猜想和測地穩(wěn)定性猜想。經過許多著名數(shù)學家近20年的工作，必然猜想和測地穩(wěn)定性猜想中的必要性已經完全清楚，但其充分性的證明以前被認為是遙不可及的。
求解一類四階完全非線性橢圓方程的解可以證明常標量曲率測度的存在。陳秀雄和程景瑞的工作在K能量強制或測地穩(wěn)定的假設下精確地證明了此類方程解的存在性。他們不僅找到了方程的解，而且建立了研究此類方程的系統(tǒng)方法，為探索未知的數(shù)學世界提供了新的工具。此外，他們還給出了圓對稱凱勒流形上的穩(wěn)定性猜想的證明，將圓對稱凱勒曲面上的唐納森經典定理推廣到高維，并提出了一般穩(wěn)定性猜想證明的可能解決方案。使得徹底解決一般穩(wěn)定性猜想成為可能。
