2017年度中国科学十大进展解读

科技部基础研究司与科技部基础研究管理中心联合举办“2017年度中国科学十大进展专家解读会”，正式发布2017年度中国科学十大进展。

图为颁发荣誉证书现场

1．实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态

“墨子号”卫星实现千公里级量子纠缠分发

“墨子号”量子科学实验卫星由我国完全自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星，于2016年8月16日发射升空，2017年1月18日完成在轨测试，正式交付开展科学实验。中国科学技术大学潘建伟和彭承志研究组联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组等，创新性地突破了包括天地双向高精度光跟瞄、空间高亮度量子纠缠源、抗强度涨落诱骗态量子光源以及空间长寿命低噪声单光子探测等多项国际领先的关键技术，利用“墨子号”在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验；实现了千公里级星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，密钥分发速率比地面同距离光纤量子通信水平提高了20个数量级，为构建覆盖全球的天地一体化量子保密通信网络提供了可靠的技术支撑，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

相关研究进展分别发表在2017年6月16日《科学》［Science， 356（6343）：1140—1144］和2017年9月7日《自然》［Nature，549（7670）：43—47］和［Nature， 549（7670）：70—73］上。研究成果一经发表，随即引起了国际学术界和新闻媒体的广泛关注，同时也得到了国际学术界的高度评价，入选了Nature杂志点评的和美国著名科学媒体Science News评选的“2017年度重大科学事件”。“墨子号”首席科学家潘建伟教授也入选了Nature杂志评选的“2017年度改变世界的十大科学人物”，被称之为“让量子通信驰骋于天地之间的物理学家”。

2．将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物

流感、艾滋病和埃博拉出血热等烈性传染病时刻危害着人类的健康和社会稳定，其幕后“黑手”是结构和功能多样且快速变异的病毒，而疫苗是预防病毒感染的有效手段。北京大学药学院周德敏、张礼和研究组以流感病毒为模型，在保留病毒完整结构和感染力的情况下，仅突变病毒基因的一个三联遗传密码为终止密码，流感病毒就由致病性传染源变为预防性疫苗，再突变多个三联码为终止密码，病毒就变为治疗性药物。此类疫苗的特点是保留了野生型病毒的全部抗原、感染活力和相同的感染途径，可以诱发人体产生强而广的体液免疫、鼻腔黏膜免疫以及T－细胞活化免疫应答，但感染人体后复制能力缺失。这种复制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到验证，达到广谱、持久和高效的效果。

该方法颠覆了传统灭活／减毒疫苗的理念，前者需改变病毒抗原结构去除其毒性，只能部分激发人体免疫力，所以需要多次接种。后者需要复杂的工艺处理方能保留病毒的完整结构，但仍具有弱的复制能力和潜在的致病性，安全隐患大。该方法将是研发活病毒疫苗的一种通用方法，并可针对几乎所有病毒。相关研究进展发表在2016年12月2日《科学》［Science， 354（6316）：1170—1173］上。该研究进展是我国长期支持基础研究、并鼓励基础研究进行临床转化的典型范例。Science杂志评述该进展为病毒疫苗领域的革命性突破，Nature杂志称其为“驯服病毒的新方法”。

3．首次探测到双粲重子

由两个粲夸克和一个上夸克组成的双粲重子

欧洲核子研究中心于2017年7月6日宣布， 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们发现了一种被称为双粲重子的新粒子，该粒子带有两个单位电荷，质量约3621兆电子伏特，几乎是质子质量的4倍。与质子和中子类似，新发现的双粲重子由三个夸克组成，但其夸克组分不同：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，而双粲重子则由两个较重的粲夸克和一个上夸克组成。理论预期双粲重子的内部结构迥异于之前发现的粒子，对其性质的研究将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用力的本质。

　　相关研究进展发表在2017年9月11日《物理评论快报》上。底夸克探测器国际合作组由来自16个国家的超过1000名科学家组成。由清华大学高原宁领导的中国研究团队通过与国内理论家密切合作，主导了此次双粲重子发现的物理分析工作，对该粒子的发现做出了关键性贡献。

　　4.实验发现三重简并费米子

　　

　　组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中只可能存在三种类型的费米子，即狄拉克费米子、外尔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，外尔费米子和马约拉纳费米子具有两重简并，而三重简并的费米子在宇宙中是不存在的。

　　这三种类型的费米子也能够以准粒子的形式存在于固体材料中，其中狄拉克费米子和外尔费米子的存在已在实验上得到确证，马约拉纳费米子也得到一些实验的支持。这些固体材料被通俗地称为“固体宇宙”，与真实的宇宙相对应。

　　与时空连续的宇宙空间不同，“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，这就可能出现真实宇宙中不存在的新型费米子。在“固体宇宙”中寻找新型费米子是近年来凝聚态物理领域一个挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。

　　中国科学院物理研究所丁洪、钱天和石友国研究组与合作者，在上海光源“梦之线”和瑞士光源上利用角分辨光电子能谱实验技术，在磷化钼晶体中观测到一类具有三重简并的费米子。这是首次实验发现超出传统的狄拉克/外尔/马约拉纳类型的费米子。他们的实验发现开辟了探索凝聚态体系中非传统费米子的途径，对促进人们认识量子物态、发现新奇物理现象、开发新型电子器件具有重要的意义。相关研究进展发表在2017年6月29日《自然》上。

　　5.实现氢气的低温制备和存储

　　

　　氢能被誉为下一代二次清洁能源，但氢气的高效制备以及安全存储和运输一直以来是阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。

　　由于甲醇可以安全运输，将氢气存储于液体甲醇中，通过水和甲醇低温液相重整反应原位产氢，在释放出甲醇中存储的氢气的同时也活化等摩尔的水而释放出额外的氢气，就成为氢能利用的可行途径。

　　这种过程装置简单、耗能低，而释放出的氢气占重比可达18.8％。北京大学化学与分子工程学院马丁研究组与中国科学院山西煤化研究所温晓东以及大连理工大学石川等合作的研究表明，将铂单原子分散在面心立方结构的碳化钼（α-MoC）上制备的催化剂可用于甲醇的液相重整，在较低温度下（150—190摄氏度）能够表现出很高的产氢活性。

　　同时，该研究团队在在水煤气变换产氢过程（CO+H2O=CO2+H2）中也突破了低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题， 发展了基于Au/α-MoC的新一代催化过程。相关研究进展分别发表在2017年4月6日《自然》和2017年7月28日《科学》上。

　　上述研究进展被多家科学媒体报道并高度评价，有关媒体认为“随着此高活性催化体系的成功，把氢气存储于甲醇并在需要时重整释放的概念可能得到实际应用，这是氢能储存和输运体系的一个重大突破”。

　　6.研发出基于共格纳米析出强化的新一代超高强钢

　　

　　超高强钢在航空航天、交通运输、先进核能以及国防装备等国民经济重要领域发挥支撑作用，而且也是未来轻型化结构设计和安全防护的关键材料。

　　北京科技大学吕昭平研究组与合作者针对低成本高性能的目标，创新性提出利用高密度共格纳米析出相来强韧化超高强合金的设计思想，采用轻质且便宜的铝元素替代马氏体时效钢中昂贵的钴和钛等元素，大幅降低成本的同时通过简单的热处理促进极高密度、全共格纳米相析出，研发出共格纳米析出强化的新一代超高强钢。

　　他们通过调控晶格错配度使得析出相在产生极低共格畸变的同时又具有高的有序抗力，这极大增强了合金的强度但不牺牲其延展性能。相关研究进展发表在2017年4月27日在《自然》上。

　　《自然·材料》（Nature Materials）发表专门评述文章指出，该研究“以完美的超强马氏体钢设计思想，简化的合金元素及析出相强化本质，为研发具有优异的强度、塑性和成本相结合的结构材料提供了新的途径”。

　　7.利用量子相变确定性制备出多粒子纠缠态

　　

　　实现多粒子纠缠是量子物理实验研究的一大追求。清华大学物理系尤力和郑盟锟研究组，通过调控铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的自旋混合过程，使其连续发生两次量子相变，实现了包含约11000个原子的双数态的确定性制备。

　　通过直接观测该纠缠态，他们表征其不同内态间原子数的差值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为近似完美的0.99±0.01。这两个指标反映该多体纠缠态可以提供超越标准量子极限约6分贝的相位测量灵敏度，以及至少910个的纠缠原子数——创造了目前能确定性制备的量子纠缠粒子数目的世界纪录。

　　利用量子相变确定性制备多体纠缠态是一种崭新的尝试。由于连续量子相变点处有限系统的能隙很小，系统穿过相变点时会产生较大的激发。量子相变点两边迥异的多体能级结构依然能够帮助制备出高品质的多粒子纠缠态。

　　这一全新的理解和纠缠态制备方法为未来其它多粒子纠缠态的制备提供了一种思路。另外，双数态的确定性制备为超越标准量子极限的测量科学与技术的实用化发展。相关研究进展发表在2017年2月10日《科学》上。

　　8.中国发现新型古人类化石

　　

　　长期以来，古人类学界对在中国境内发现的中更新世晚期至晚更新世早期过渡阶段古人类成员的演化地位一直存在争议。争论的焦点是：他们是由本地的古人类连续进化而来？还是外来人群的成功入侵者？

　　最近在河南灵井遗址发现的两件距今10.5—12.5万年前的古人类——许昌人的头骨化石，为探讨这一阶段中国古人类的演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吴秀杰研究组与美国华盛顿大学Erik Trinkaus等合作的研究显示，许昌人颅骨既具有东亚古人类低矮的脑穹隆、扁平的颅中矢状面等特征，同时又兼具欧亚大陆西部尼安德特人一样的枕骨（枕圆枕上凹/项部形态）和内耳迷路（半规管）形态，呈现出演化上的区域连续性和区域间种群交流的动态变化。此外，许昌人超大的脑量（1800 cc）和纤细化的脑颅结构，又体现出中更新世人类生物学特征演化的一般趋势。目前还无法将其归入任何已知的古人类成员之中，许昌人可能代表一种新型的古老型人类。

　　

　　这项研究填补了古老型人类向早期现代人过渡阶段中国古人类演化上的空白，表明晚更新世早期中国境内可能并存有多种古人类成员，不同群体之间有杂交或者基因交流。许昌人化石为中国古人类演化的地区连续性以及与欧洲古人类之间的交流提供了一定程度的支持。

　　相关研究进展发表在2017年3月3日《科学》上。该研究发现引起了国内外学术界和媒体的极大关注，Science、Current Biology等国际顶端学术期刊都为此发表专题评论，认为这项研究填补了古老型人类向早期现代人过渡阶段东亚地区古人类演化上的空白，是中国学者在古人类研究领域取得的一项重大突破。

　　9.酵母长染色体的精准定制合成

　　

　　基因组设计合成是对基因组进行全新设计和从头构建，然而，基因组合成面临长染色体难以精准合成、合成染色体导致细胞失活等难题。

　　天津大学元英进、清华大学戴俊彪、深圳华大基因杨焕明等团队与合作者利用多级模块化和标准化人工基因组合成方法，实现了由小分子核苷酸到活体真核长染色体的定制合成，建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复的修复技术，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与设计序列的完全匹配。解决了合成基因组导致细胞失活的难题。

　　在此基础上，构建了人工环形染色体，为当前无法治疗的染色体成环疾病发生机理和潜在治疗手段建立了研究模型。该研究为深化理解生命进化、基因组与功能关系等基础科学问题提供了新的思路。

　　相关研究进展以4篇论文形式发表在2017年3月10日《科学》上。研究成果引起国内外专家和媒体的极大关注。

　　10.研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统

　　

　　北京大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室程和平及陈良怡研究组与电子工程与计算机科学学院张云峰和王爱民等合作，运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电子学等技术，成功研制出2.2克微型化佩戴式双光子荧光显微镜。在国际上首次记录了悬尾、跳台、社交等自然行为条件下，小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。

　　此项突破性技术将开拓新的研究范式，在动物自然行为条件下，实现对神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长时程观察，这样不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。

　　

　　相关研究进展发表在2017年7月《自然·方法学》上。该成像系统被2014年诺贝尔生理学或医学奖得主Edvard I. Moser称之为研究大脑的空间定位神经系统的革命性新工具。

　　附：近五年的中国科学十大进展

　　2016年

　　一、研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂；

　　二、开创煤制烯烃新捷径；

　　三、揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制；

　　四、提出基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法；

　　五、揭示RNA剪接的关键分子机制；

　　六、发现精子RNA可作为记忆载体将获得性性状跨代遗传；

　　七、研制出首个稳定可控的单分子电子开关器件；

　　八、构建出世界上首个非人灵长类自闭症模型；

　　九、揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理；

　　十、揭示水的核量子效应。

　　2015年

　　一、实现单光子多自由度量子隐形传态；

　　二、理论预言并实验验证外尔半金属的存在；

　　三、揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征；

　　四、实现对反物质间相互作用力的测量；

　　五、探测到宇宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星体；

　　六、发现东亚最早的现代人化石；

　　七、揭示人类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调控特征；

　　八、解析细胞炎性坏死的关键分子机制；

　　九、研制出碳基高效光解水催化剂；

　　十、实现对单个蛋白质分子的磁共振探测。

　　2014年

　　一、阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径；

　　二、发现新生期心脏具有重新生成冠状动脉的能力；

　　三、提出并验证了一种既可提高产量又可降低环境成本的种植模式；

　　四、利用溶液法制备出高性能量子点发光二极管；

　　五、合成出具有空前硬度和热稳定性的纳米孪晶金刚石 ；

　　六、提出并证实极体移植可有效阻断线粒体遗传病的传递 ；

　　七、利用极体高通量测序结果精确推演出母源基因组信息；

　　八、证实青藏高原通过下部地壳物质流动和上部地壳沿断层块体滑移两种方式向东扩张；

　　九、利用纳米限域的单铁催化剂实现天然气直接制乙烯；

　　十、发现炎症性半胱天冬酶是胞内细菌脂多糖的先天免疫受体 。

　　2013年

　　一、中国科学家积极应对新发H7N9禽流感病毒取得重要进展；

　　二、在磁性拓扑绝缘体中观测到量子反常霍尔效应 清华大学；

　　三、利用原子力显微镜直接观测到分子间氢键；

　　四、北京谱仪Ⅲ观测到一种包含至少4个夸克的带电粒子；

　　五、小麦A基因组和D基因组草图绘制完成；

　　六、利用小分子化合物将小鼠体细胞诱导转化为多能干细胞；

　　七、合成出超硬纳米双晶立方氮化硼 ；

　　八、研发出一种兼具大弹性应变、低模量和高强度的相变金属纳米复合材料；

　　九、基于等离激元增强拉曼散射实现单分子化学成像；

　　十、发现星形胶质细胞多巴胺D2受体通过αB晶状体球蛋白抑制神经炎症。

　　2012年

　　一、神舟九号和天宫一号成功实现载人交会对接；

　　二、可扩展量子信息处理取得系列重要进展 中国科学技术大学；

　　三、阐明二叠—三叠纪之交生物大灭绝及其复苏模式和原因；

　　四、大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式；

　　五、揭示两种天然产物靶向特异蛋白治疗白血病的机制；

　　六、证实单倍体孤雄干细胞具有可替代精子和快速传递基因修饰的能力；

　　七、生态学试验证实Bt转基因棉花种植可促进对害虫的生物控制；

　　八、解析出TAL效应蛋白特异性识别DNA的结构基础；

　　九、揭示营养匮乏引发细胞自噬的分子机制；

　　十、发现利用倒置结构可提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。