2015年中國重大科學(xué)、技術(shù)和工程進(jìn)展

陳廣仁，吳曉麗，劉志遠(yuǎn)，田恬

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2015年中國重大科學(xué)、技術(shù)和工程進(jìn)展

陳廣仁，吳曉麗，劉志遠(yuǎn)，田恬

從《科技導(dǎo)報(bào)》2004年第3期刊登“2003年中國重大科學(xué)、技術(shù)與工程進(jìn)展”，至今已連續(xù)12年遴選發(fā)布中國年度重大科學(xué)、技術(shù)和工程進(jìn)展。為盤點(diǎn)2015年中國重大科學(xué)、技術(shù)和工程進(jìn)展，《科技導(dǎo)報(bào)》編輯部從國內(nèi)外重要科技期刊和科技新聞媒體所報(bào)道的中國科技成果中，遴選、推薦28項(xiàng)重大科學(xué)進(jìn)展、50項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)展、25項(xiàng)重大工程進(jìn)展候選條目，由《科技導(dǎo)報(bào)》編委、審稿人等專家通信評選，根據(jù)每項(xiàng)進(jìn)展的得票情況，推選出2015年中國重大科學(xué)進(jìn)展10項(xiàng)、重大技術(shù)進(jìn)展10項(xiàng)、重大工程進(jìn)展10項(xiàng)。遴選出的每項(xiàng)重大進(jìn)展須為2015 年1月1日至2015年12月31日間發(fā)表、公布或報(bào)道，各項(xiàng)進(jìn)展均按發(fā)表、公布或報(bào)道的時(shí)間先后排序。

1 2015年中國重大科學(xué)進(jìn)展（10項(xiàng)）

1.1 基于蛋白C受體標(biāo)記識別出多能性乳腺干細(xì)胞

干細(xì)胞的流失會(huì)導(dǎo)致退行性疾病，表現(xiàn)為器官退化、過早衰老等；而過度增殖及病變則會(huì)引發(fā)腫瘤。乳腺干細(xì)胞的病變極有可能是乳腺癌發(fā)生的重要原因之一。研究乳腺細(xì)胞的譜系將有助于了解乳腺癌發(fā)生的細(xì)胞起源。乳腺由多種類型的上皮細(xì)胞組成，其細(xì)胞譜系的最頂端為乳腺干細(xì)胞。然而這些乳腺干細(xì)胞至今仍未被找到，甚至這種能分化成多種類型細(xì)胞的“多潛能干細(xì)胞”在乳腺中是否存在也受到質(zhì)疑。

中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院細(xì)胞生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾藝研究組與合作者基于小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白C受體（Procr）作為乳腺中Wnt的一個(gè)新的靶點(diǎn)，可唯一性標(biāo)記多能性乳腺干細(xì)胞。這種蛋白C受體標(biāo)記的細(xì)胞位于乳腺的基底層，展現(xiàn)出上皮-間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化特性，且角質(zhì)蛋白表達(dá)水平非常低。進(jìn)一步研究顯示，這種表達(dá)蛋白C受體的細(xì)胞展現(xiàn)出非常強(qiáng)的再生能力，可分化為所有類型的乳腺上皮細(xì)胞。而且蛋白C受體在三陰性乳腺癌（雌、孕激素受體、生長素受體陰性）中高表達(dá)，提示這種多能性乳腺干細(xì)胞在乳腺癌發(fā)生中可能起到重要作用。該研究“刷新”了乳腺干細(xì)胞性質(zhì)的現(xiàn)有理論，以干細(xì)胞為切入點(diǎn)，為靶向治療乳腺癌提供了新思路、新靶點(diǎn)，奠定了乳腺癌干細(xì)胞治療應(yīng)用的基礎(chǔ)。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年1月1日《Nature》［517（7532）: 81-84］。

1.2 農(nóng)業(yè)技術(shù)革新促使史前人類永久定居青藏高原

史前人類如何定居高海拔高寒缺氧環(huán)境是目前學(xué)術(shù)界和社會(huì)公眾廣泛關(guān)注的科學(xué)問題。研究人類定居青藏高原的歷史，對認(rèn)識人類如何適應(yīng)高原極端環(huán)境以及藏族人起源具有重要意義。蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳發(fā)虎和董廣輝研究組與合作者通過對早前發(fā)表的考古調(diào)查報(bào)告進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，在青藏高原地區(qū)，新石器時(shí)代遺址遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于舊石器時(shí)代遺址，且絕大部分分布于青藏高原東北部。隨后，研究小組對青藏高原東北部200余處史前遺址進(jìn)行調(diào)查，選擇在考古地層保存完整、文化遺存豐富的53個(gè)新石器和青銅文化遺址采集浮選樣品。對浮選出的碳化植物種子測試獲得63個(gè)碳14的年齡結(jié)果，并對動(dòng)物及人類骨骼進(jìn)行了骨骼碳氮同位素研究。

綜合植物種屬鑒定、測年結(jié)果、文化遺存分析及骨骼碳氮同位素研究，研究小組發(fā)現(xiàn)古人類大規(guī)模向青藏高原擴(kuò)散發(fā)生于距今3600年之后，以大麥為主的麥作農(nóng)業(yè)為當(dāng)時(shí)的人類提供了長期的食物來源。研究小組認(rèn)為，史前人類從低強(qiáng)度的季節(jié)性游獵，到大規(guī)模永久定居，再到高海拔青藏高原經(jīng)歷了3個(gè)階段：距今約2萬—5200年前，舊石器人群在青藏高原低強(qiáng)度的季節(jié)性游獵；距今5200—3600年前，粟黍農(nóng)業(yè)人群在青藏高原東北海拔2500 m以下河谷地區(qū)的大規(guī)模永久定居；距今3600年以后，農(nóng)牧混合經(jīng)濟(jì)人群向高海拔地區(qū)的大規(guī)模擴(kuò)張。該結(jié)果驗(yàn)證了農(nóng)業(yè)技術(shù)的革新克服了距今3600年前后全球氣候的變冷，促使人類大規(guī)模向青藏高原定居的假說。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年1月16日《Science》［347（6219）: 248-250］。

1.3計(jì)算模擬出1種五元環(huán)石墨烯

碳材料是材料科學(xué)研究的前沿，碳原子由于其獨(dú)特的電子構(gòu)型和較小的原子半徑，成鍵與雜化方式靈活多樣，因此具有多種結(jié)構(gòu)和性能迥異的同素異形體。從古老的石墨、金剛石到新近發(fā)現(xiàn)的富勒烯、碳納米管和石墨烯乃至石墨炔，碳材料的研究不僅促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展，也推動(dòng)了高壓技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，探索發(fā)現(xiàn)新的碳結(jié)構(gòu)是碳材料研究的熱點(diǎn)問題之一。此前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的碳材料大多是以碳六元環(huán)作為主要結(jié)構(gòu)基元而構(gòu)成，除最小的富勒烯C20分子以外，僅以碳五元環(huán)為結(jié)構(gòu)基元而構(gòu)成的碳材料尚未發(fā)現(xiàn)。

北京大學(xué)工學(xué)院王前研究組通過計(jì)算模擬出一種五元環(huán)石墨烯，它是一種亞穩(wěn)態(tài)的二維碳同素異形體，完全由碳原子五元環(huán)構(gòu)成，類似于開羅五邊形瓷磚平鋪于二維平面內(nèi)，并具有可與石墨烯媲美的優(yōu)異性質(zhì)。分子動(dòng)力學(xué)模擬證明，這種新的碳結(jié)構(gòu)不僅在動(dòng)力學(xué)和機(jī)械上是穩(wěn)定的，而且能夠承受1000 K的高溫。由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，五元環(huán)石墨烯具有不同尋常的負(fù)泊松效應(yīng)和超高的機(jī)械強(qiáng)度，甚至可能超過目前熟知的六元環(huán)石墨烯。此外，不同于六元環(huán)石墨烯具有金屬性，其功能化需要打開一個(gè)帶隙，五元環(huán)石墨烯本身即是半導(dǎo)體，具有一個(gè)3.25 eV的本征準(zhǔn)直接帶隙，接近于氧化鋅和氮化鎵等半導(dǎo)體材料。而且，原則上五元環(huán)石墨烯可以從碳十二面體C20分子上剝離下來。將其卷起來可以形成基于五元環(huán)的納米管，這種納米管具有與手性無關(guān)的半導(dǎo)體性。將這種五元環(huán)石墨烯以不同方式折疊，可以構(gòu)成穩(wěn)定的三維碳十二面體孿晶結(jié)構(gòu)，其帶隙甚至比碳十二面體還大。這種多功能性五元環(huán)石墨烯有望在納米電子學(xué)和納米力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年2月24日《PNAS》［112（8）: 2372-2377］。

1.4實(shí)驗(yàn)示范單光子多自由度量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)在概念上非常類似于科幻小說中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而無需傳輸載體本身。量子隱形傳態(tài)作為量子信息處理的基本單元，在量子通信和量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。自1997年以來，科學(xué)家已經(jīng)在多個(gè)物理體系如光子、原子、離子、電子及超導(dǎo)環(huán)路中實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。然而，之前所有實(shí)驗(yàn)都被限制在只能隱形傳態(tài)一個(gè)自由度。但即使是一個(gè)最簡單的基本粒子，真正的物理體系自然地具有多個(gè)自由度的信息。因此，多自由度的量子隱形傳態(tài)成為近20年來量子信息基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）潘建偉和陸朝陽研究組與合作者，實(shí)驗(yàn)示范了同時(shí)對自旋和軌道角動(dòng)量進(jìn)行編碼的單光子復(fù)合量子態(tài)的量子隱形傳態(tài)。他們搭建了基于兩個(gè)自由度糾纏（超糾纏）的光子對的隱形傳態(tài)通道，并利用概率性量子無損測量設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)自旋和軌道角動(dòng)量多自由度貝爾態(tài)測量的新方案，該方案還可擴(kuò)展到更多自由度。他們檢驗(yàn)了自旋-軌道各自量子態(tài)及其雜合態(tài)的傳態(tài)效果，結(jié)果顯示傳態(tài)的保真度為0.57～0.68，高于經(jīng)典極限。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜量子系統(tǒng)的隱形傳態(tài)邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年2月26日《Nature》［518（7540）: 516-519］。

1.5 發(fā)現(xiàn)1個(gè)中心黑洞質(zhì)量為120億太陽質(zhì)量、紅移為6.3的超亮類星體

類星體是銀河系外能量巨大的遙遠(yuǎn)天體，其中心是猛烈吞噬周圍物質(zhì)的質(zhì)量在千萬太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞雖然自身不發(fā)光，但由于其強(qiáng)大的引力，周圍物質(zhì)在快速落向黑洞的過程中以類似“摩擦生熱”的方式釋放出巨大的能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多萬顆類星體，它們分布于宇宙大爆炸之后7億年至今，對應(yīng)的宇宙學(xué)紅移從7.085到0.05。通過對高紅移類星體的研究，人們可以追溯到早期宇宙的結(jié)構(gòu)和演化。

北京大學(xué)物理學(xué)院吳學(xué)兵研究組與合作者基于自主發(fā)展的選取高紅移類星體候選體的有效方法，利用中國云南天文臺的2.4 m望遠(yuǎn)鏡首先觀測和國外4臺大型光學(xué)和紅外地面望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)一個(gè)距離地球128億光年（紅移6.3）、發(fā)光強(qiáng)度是太陽的430萬億倍、中心黑洞質(zhì)量約為120億太陽質(zhì)量的超亮類星體。這是目前發(fā)現(xiàn)的在宇宙早期最亮、中心黑洞質(zhì)量最大的一個(gè)類星體。在宇宙年齡只有9億年時(shí)，就有120億太陽質(zhì)量的黑洞存在，這對目前的黑洞形成和增長理論、黑洞和星系共同演化理論都提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，并為未來研究早期宇宙中黑洞和星系的形成和演化提供了一個(gè)特別的實(shí)驗(yàn)室。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年2月26日《Nature》［518（7540）: 512-515］。

1.6 理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外爾半金屬

德國科學(xué)家外爾（H.Weyl）1929年指出，當(dāng)質(zhì)量為0時(shí)，狄拉克方程描述的是一對能量相同但具有相反手性的新粒子，即外爾費(fèi)密子。80多年過去了，人們一直未能觀測到這種神奇的粒子。中微子曾經(jīng)被認(rèn)為是外爾費(fèi)密子的候選者，但后來發(fā)現(xiàn)中微子其實(shí)具有質(zhì)量。近年來，拓?fù)浣^緣體尤其是拓?fù)浒虢饘俚阮I(lǐng)域研究的快速發(fā)展為尋找外爾費(fèi)密子提供了新的思路，它們可以作為準(zhǔn)粒子存在于外爾半金屬材料中。尋找外爾半金屬材料是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，也是該領(lǐng)域國際競爭的焦點(diǎn)之一。

2015年，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）方忠研究組（翁紅明等）通過理論計(jì)算預(yù)言，TaAs家族材料就是要尋找的外爾半金屬體系；中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）陳根富研究組合成出了該材料晶體，并觀察到理論預(yù)測到的因手征反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)；中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）丁洪、錢天研究組和合作者用角分辨光電子能譜證實(shí)了理論預(yù)言的三維電子能譜和費(fèi)米弧。中國科學(xué)家的系列工作終于“找到”了外爾費(fèi)密子這一隱身80多年的“幽靈”粒子。此外，美國普林斯頓大學(xué)的Hasan研究組和清華大學(xué)陳宇林研究組及合作者也得到類似結(jié)果。外爾半金屬的發(fā)現(xiàn)提出了很多新的科學(xué)問題，同時(shí)也為開發(fā)低能耗電子器件等變革性技術(shù)提供了新思路。

1.7 解析人類原始生殖細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組與DNA甲基組圖景

人類原始生殖細(xì)胞產(chǎn)生于胚胎發(fā)育的早期，是發(fā)育為成熟的精子和卵細(xì)胞的前體細(xì)胞，精卵結(jié)合后會(huì)發(fā)育成新的個(gè)體，并將遺傳物質(zhì)傳遞給下一代以維持種族的延續(xù)。因此，對人類早期胚胎及原始生殖細(xì)胞的發(fā)育過程進(jìn)行深入研究，對于理解人類胚胎發(fā)育特征及對于反復(fù)流產(chǎn)、胚胎停育、不孕不育等疾病發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識具有重要意義。這類特殊的原始生殖細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控與其他體細(xì)胞有何不同？除了遺傳序列本身，親本還把哪些表觀遺傳記憶留在了原始生殖細(xì)胞中？哪些表觀遺傳記憶信息需要被擦除？這些關(guān)鍵問題一直沒有解決。

北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組和北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰研究組及其合作者，采用最新的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組高通量測序等關(guān)鍵技術(shù)，解析了人類原始生殖細(xì)胞多個(gè)發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組的動(dòng)態(tài)變化，揭示了人類原始生殖細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的一系列關(guān)鍵特征。

該項(xiàng)研究顯示，處于發(fā)育早期的人類原始生殖細(xì)胞協(xié)同表達(dá)一系列干細(xì)胞多能性基因以及生殖系特異基因。基因組DNA甲基化作為一種關(guān)鍵的表觀遺傳修飾方式，是調(diào)控細(xì)胞分化過程中基因表達(dá)的關(guān)鍵機(jī)制之一。該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，人類原始生殖細(xì)胞在發(fā)育過程中會(huì)經(jīng)歷大規(guī)模的表觀遺傳記憶（DNA甲基化標(biāo)記）的擦除，在胚胎第11周時(shí)原始生殖細(xì)胞中僅有6%～7%的DNA甲基化得以保留；但另一方面，基因組中重復(fù)序列元件上仍然殘留大量甲基化，這為研究人類隔代遺傳現(xiàn)象的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)提供了重要線索。該項(xiàng)研究首次為人們提供了詳盡的人類原始生殖細(xì)胞發(fā)育過程中基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)及其表觀遺傳調(diào)控景觀圖，是理解基因組潛能重置、表觀遺傳記憶擦除、人類生殖細(xì)胞建立的基礎(chǔ)，有助于更好地理解人類生殖細(xì)胞和早期胚胎發(fā)育的特征與規(guī)律。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年6月4日《Cell》［161（6）: 1437-1452］。

1.8 解析酵母剪接體對信使RNA前體行使剪接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

分子生物學(xué)的中心法則是描述細(xì)胞最基礎(chǔ)也最核心的生命活動(dòng)基因表達(dá)的一套重要規(guī)律，由英國生物學(xué)家弗朗西斯?克里（F.H.C.Crick）于1957年首先提出。其主要內(nèi)容是編碼在DNA中的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給前體信使RNA（簡稱轉(zhuǎn)錄），再經(jīng)過剪接去除非編碼信息，將編碼信息連成一體成為成熟的信使RNA（簡稱剪接），進(jìn)而以信使RNA為模版，將編碼信息翻譯成蛋白質(zhì)（簡稱翻譯），從而行使生命活動(dòng)的各種功能。很多疾病是由于剪接環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致由DNA編碼的遺傳信息不能轉(zhuǎn)化為成熟的信使RNA所致。第2步剪接過程中，剪接體是如何工作的以及剪接體到底是什么樣，是迄今為止國際生命科學(xué)領(lǐng)域最受矚目的課題之一。而由于剪接體是由多個(gè)核內(nèi)核糖核蛋白顆粒（snRNPs）及數(shù)十種蛋白質(zhì)組成的“超大復(fù)合物”，其結(jié)構(gòu)解析難度被普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，因此也被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的難題之一。

清華大學(xué)蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室施一公研究組與合作者利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)以3.6?分辨率解析了裂殖酵母的剪接體結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上闡述了剪接反應(yīng)進(jìn)行的分子機(jī)制。該剪接體原子模型包括37種蛋白質(zhì)的10574個(gè)氨基酸和4個(gè)RNA分子，其整體分子質(zhì)量接近1.3 M道爾頓。他們的研究揭示了剪接反應(yīng)的催化中心構(gòu)成和多個(gè)關(guān)鍵分子的作用方式，證明剪接體本質(zhì)上是一個(gè)在蛋白質(zhì)指導(dǎo)下的核酶（ribozyme），而蛋白質(zhì)組分的作用在于幫助遞送關(guān)鍵的RNA分子使其在合適時(shí)間彼此接近從而實(shí)現(xiàn)剪接反應(yīng)。該研究初步解答了生命科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域長期以來備受關(guān)注的一個(gè)核心問題，為進(jìn)一步揭示與剪接體相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)，也大幅推進(jìn)了分子生物學(xué)中心法則在分子機(jī)理方面的研究。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年9月11日《Science》［349（6253）: 1182-1191，1191-1198］。

1.9 揭示阻斷機(jī)體免疫炎癥過度反應(yīng)的表觀遺傳修飾機(jī)制

機(jī)體免疫系統(tǒng)通過“發(fā)炎”的方式抗御感染，但有時(shí)“發(fā)炎”過度會(huì)損傷自身而導(dǎo)致自身免疫性疾病，如何及時(shí)終止炎癥免疫反應(yīng)是免疫學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的重要科學(xué)問題。

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹雪濤研究組與合作者的研究顯示，在炎癥免疫活化的晚期（即炎癥消退期），DNA羥甲基化酶Tet2能夠反饋性抑制炎癥因子的分泌。他們在急性內(nèi)毒素休克與結(jié)腸炎模型中證實(shí)，Tet2可結(jié)合表觀遺傳調(diào)控分子去乙酰化酶HDAC2，選擇性地直接結(jié)合炎癥因子IL-6基因的啟動(dòng)子區(qū)，從而阻止其表達(dá)。該研究揭示了表觀修飾介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是炎癥消退期炎性炎癥因子表達(dá)下降的一個(gè)決定性因素，修正了以往廣泛認(rèn)為的炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)負(fù)調(diào)控分子起決定性作用的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，為免疫學(xué)與表觀遺傳學(xué)交叉研究提出了新方向。此外，該課題組在以往獨(dú)立發(fā)現(xiàn)E3泛素連接酶Nrdp1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其能夠通過抑制T細(xì)胞過度和持續(xù)活化而及時(shí)阻滯炎癥相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展。以上研究提出了不同表觀修飾之間及不同翻譯后修飾新的交叉調(diào)控模式，闡明了炎癥消退和抑制過度炎癥持續(xù)反應(yīng)的新機(jī)制，對自身免疫性疾病及炎癥相關(guān)疾病的治療具有重要指導(dǎo)意義，并為免疫學(xué)與表觀遺傳學(xué)前沿交叉研究提出了新方向。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年9月17日《Nature》［525（7569）: 389-393］。

1.10測量反質(zhì)子-反質(zhì)子間的相互作用

原子核物理學(xué)研究的首要目標(biāo)是了解核子之間的相互作用，這是了解核結(jié)構(gòu)以及原子核彼此之間相互作用的必要一步。自英國物理學(xué)家盧瑟福（E.Rutherford）1911年提出原子核結(jié)構(gòu)模型以來，通過研究核子或原子核已經(jīng)獲得了大量的關(guān)于核力的知識。雖然科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀測反He-4原子并對其質(zhì)量進(jìn)行了測量，但對于反核子之間的相互作用還很少有直接地了解。美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC）的STAR實(shí)驗(yàn)將質(zhì)心能量為200 GeV的金離子相互碰撞，產(chǎn)生出大量的反質(zhì)子，這為研究反質(zhì)子-反質(zhì)子間相互作用的細(xì)節(jié)提供了基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馬余剛研究組與美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室唐愛洪研究組等合作，利用STAR實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首次測量到反質(zhì)子-反質(zhì)子間的相互作用力，這對理解反物質(zhì)的構(gòu)成起到了至關(guān)重要的作用。

研究人員通過對反質(zhì)子—反質(zhì)子之間動(dòng)量關(guān)聯(lián)函數(shù)的測量，提取到反質(zhì)子-反質(zhì)子相互作用的有效力程和散射長度。對這兩個(gè)基本作用參數(shù)的研究表明，反質(zhì)子-反質(zhì)子之間存在著吸引力，可以克服反質(zhì)子-反質(zhì)子間由于同號（負(fù)電荷）所產(chǎn)生的庫倫排斥力，結(jié)合成反物質(zhì)原子核。而且他們測量得到的結(jié)果與質(zhì)子-質(zhì)子相互作用的對應(yīng)值在誤差范圍內(nèi)一致。此次對反物質(zhì)間相互作用的首次定量測量，標(biāo)志著對反物質(zhì)的研究進(jìn)入了新的篇章，即從定性的觀測到定量相互作用研究的跨越，將對理解反物質(zhì)的形成機(jī)制起到關(guān)鍵作用。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年11月19日《Nature》［527（7578）: 345-348］。

2 2015年中國重大技術(shù)進(jìn)展（10項(xiàng)）

2.1 核電站控制棒系統(tǒng)驗(yàn)收，核反應(yīng)堆“心臟”實(shí)現(xiàn)中國造

控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是核反應(yīng)堆本體中唯一動(dòng)作的部件，承擔(dān)著反應(yīng)堆啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)等控制和保護(hù)職責(zé)，是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的“心臟”。此前中國在運(yùn)和在建的百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)組均使用國外品牌技術(shù)，關(guān)鍵部件和材料需從國外進(jìn)口。

2015年1月6日，由中國廣核集團(tuán)牽頭組織的國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——“百萬千瓦級壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)”通過驗(yàn)收，意味著中國企業(yè)已完全掌握適用于12英尺和14英尺（1英尺=30.48 cm）燃料組件的控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，打破了國外長期的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了核反應(yīng)堆“心臟”的自主化和國產(chǎn)化。這是繼實(shí)現(xiàn)核電站“中樞神經(jīng)”——核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)自主化后中國核電產(chǎn)業(yè)又一重大科研突破。

“百萬千瓦級壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)”項(xiàng)目設(shè)4個(gè)課題，分別從設(shè)計(jì)技術(shù)、金屬材料、有機(jī)材料及制造技術(shù)4個(gè)方面，開展控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自主化和材料、制造國產(chǎn)化研究。

2.2 中國原創(chuàng)抗癌新藥西達(dá)本胺獲準(zhǔn)全球上市

2015年1月27日，深圳微芯生物科技公司舉行“863計(jì)劃”及“重大新藥創(chuàng)制專項(xiàng)”成果西達(dá)本胺上市新聞發(fā)布會(huì)，標(biāo)志著中國基于結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)、靶點(diǎn)研究、安全評價(jià)、臨床開發(fā)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化全過程的整合核心技術(shù)與能力顯著提升，這是中國醫(yī)藥行業(yè)的歷史性突破。中國抗癌原創(chuàng)新藥西達(dá)本胺，是全球首個(gè)獲準(zhǔn)上市的亞型選擇性組蛋白去乙酰化酶口服抑制劑，也是中國首個(gè)授權(quán)美國等發(fā)達(dá)國家專利使用的原創(chuàng)新藥。

中國每1萬人中約有1人發(fā)生惡性淋巴瘤，西達(dá)本胺的首個(gè)適應(yīng)癥為復(fù)發(fā)及難治性外周T細(xì)胞淋巴瘤，使用此藥的臨床病人已獲得長期生存治療。深圳微芯生物科技公司已授權(quán)美國、日本及中國臺灣等國家和地區(qū)同步開展單藥及聯(lián)合其他抗腫瘤藥物針對其他血液腫瘤、非小細(xì)胞肺癌及乳腺癌等實(shí)體瘤的臨床研究。深圳微芯生物科技公司由留美歸國博士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立于2001年，專長于原創(chuàng)小分子藥物研發(fā)，在腫瘤、糖尿病/代謝疾病、免疫性疾病領(lǐng)域建立了多個(gè)從實(shí)驗(yàn)室到臨床及產(chǎn)業(yè)化階段的原創(chuàng)新藥產(chǎn)品線。目前已申請67項(xiàng)化合物全球發(fā)明專利，其中36項(xiàng)已獲授權(quán)。西達(dá)苯胺的成功研發(fā)，是在國家創(chuàng)新政策支持下，由風(fēng)險(xiǎn)資本投入，海歸科學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合全國臨床專家協(xié)同創(chuàng)新的有益探索。

2.3 中海油攻克海上“雙高”氣田開發(fā)世界級難題

2015年2月9日，中國海洋石油總公司宣布，中國海上首個(gè)高溫高壓氣田——中國海油東方1-1首批調(diào)整井，經(jīng)過近6個(gè)月作業(yè)成功完鉆，并創(chuàng)出一系列領(lǐng)先國際水平的高效作業(yè)、安全和產(chǎn)能紀(jì)錄。標(biāo)志著中國海油在“雙高”天然氣成藏理論、“雙高”地層壓力預(yù)監(jiān)測、鉆前預(yù)測和鉆后評價(jià)等核心技術(shù)上均取得突破，系統(tǒng)攻克了海上高溫高壓氣田勘探開發(fā)的世界級難題。

海上常規(guī)氣田的壓力系數(shù)在1.0左右，東方13區(qū)氣藏的壓力系數(shù)則達(dá)1.8～2.1，井底溫度近150℃。動(dòng)用這樣的氣藏，存在兩大難題：成藏認(rèn)識難、鉆完井等工程技術(shù)難。20世紀(jì)90年代，國外相關(guān)理論表明，鶯瓊盆地壓力梯度、溫度高，即使發(fā)育天然氣，也會(huì)是水溶氣，無法游離成藏。中國海油啟動(dòng)相關(guān)理論研究，創(chuàng)新了“雙高”天然氣成藏理論，構(gòu)建了構(gòu)造活動(dòng)型走滑-伸展盆地重力流沉積模式及“雙高”地層壓力預(yù)監(jiān)測技術(shù)，提出了“動(dòng)態(tài)生氣—耦合成藏—近源聚集”的生烴-成藏觀點(diǎn)；研發(fā)集成了高溫超壓地層的壓力鉆前預(yù)測、隨鉆監(jiān)測和鉆后評價(jià)技術(shù)。這些認(rèn)識突破加上鉆井難題的攻克，使得探井鉆井周期由最初的200天縮短為40天左右，成本大幅下降，在東方發(fā)現(xiàn)了東方13大氣田，在崖城和陵水區(qū)發(fā)現(xiàn)了“雙高”氣田。

東方1-1一期調(diào)整井，正是為了動(dòng)用這批儲量。通過技術(shù)攻關(guān)，相比設(shè)計(jì)，節(jié)省工期121天，節(jié)省費(fèi)用1.3億元，實(shí)際產(chǎn)量超過預(yù)期。

2.4世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)可變形液態(tài)金屬機(jī)器問世

2015年3月3日，劉靜帶領(lǐng)的中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研究小組研發(fā)出世界首個(gè)自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器，相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年3月3日《Advanced Materials》。

這是世界上首次發(fā)現(xiàn)的一種異常獨(dú)特現(xiàn)象和機(jī)制，即液態(tài)金屬可在吞食少量物質(zhì)后以可變形機(jī)器形態(tài)長時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無需外部電力的自主運(yùn)動(dòng)，從而為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、流體泵送系統(tǒng)、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這種液態(tài)金屬機(jī)器完全擺脫了龐雜的外部電力系統(tǒng)，從而向研制自主獨(dú)立的柔性機(jī)器邁出了關(guān)鍵的一步。

在迄今所發(fā)展的各種柔性機(jī)器中，自主型液態(tài)金屬機(jī)器所表現(xiàn)出的變形能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與壽命水平等均較為罕見，使其具有諸多重要用途：可快速制造出大量微泵，滿足諸如藥液、陣列式微流體的輸運(yùn)；實(shí)現(xiàn)高度集成化的微芯片冷卻器；用于制造血管或腔道機(jī)器人甚至是可自我組裝的液態(tài)金屬智能機(jī)器等。自驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬機(jī)器的問世引申出了全新的可變形機(jī)器概念，將顯著提速柔性智能機(jī)器的研制進(jìn)程。

2.5 室溫大氣環(huán)境下單蛋白質(zhì)分子的磁共振探測

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）杜江峰研究組與合作者將量子技術(shù)應(yīng)用于單個(gè)蛋白分子研究，在室溫大氣條件下獲得了世界上首張單蛋白質(zhì)分子的磁共振譜。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年3月6日《Science》［347（6226）: 1135-1138］。

磁共振技術(shù)能夠準(zhǔn)確、快速和無破壞地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息，已被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)等各大領(lǐng)域。然而當(dāng)前通用的磁共振譜儀受制于探測方式，其研究對象通常為數(shù)10億個(gè)分子，成像分辨率僅為10-3m量級，無法觀測到單個(gè)分子的獨(dú)特信息。

杜江峰研究團(tuán)隊(duì)利用鉆石中的氮-空位點(diǎn)缺陷作為量子探針（以下簡稱“鉆石探針”），將磁共振譜的分辨率從以往的10-3m提高到10-9m，靈敏度從以往的1010分子提高到單分子。基于此，在室溫和空氣條件下，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對一個(gè)攜帶有自旋標(biāo)記的蛋白質(zhì)分子的電子自旋共振信號的檢測，進(jìn)而獲得單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振譜。此外，還實(shí)現(xiàn)了對蛋白質(zhì)分子上的自旋的相干驅(qū)動(dòng)，這是進(jìn)一步研究蛋白原子核自旋極化以及對蛋白自身進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析的先決條件。

該研究不僅將磁共振技術(shù)的研究對象從數(shù)10億個(gè)分子推進(jìn)到單個(gè)分子，并且“室溫大氣”這一寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為該技術(shù)未來在生命科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了必要條件，使得高分辨率的納米磁共振成像及診斷成為可能，有望幫助人們從單分子的更深層次來探索生命和物質(zhì)科學(xué)的機(jī)理，對于物理、生物、化學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

2.6 中國研發(fā)出世界首臺醫(yī)院中子照射器

2015年4月15日，世界首臺專門用于硼中子俘獲治療的放射治療裝置——醫(yī)院中子照射器（IHNI）在國內(nèi)首例惡性黑色素瘤患者臨床試治中達(dá)到預(yù)期驗(yàn)證目標(biāo)。

該裝置擁有中國全部自主知識產(chǎn)權(quán)，獲得8項(xiàng)國家專利受理或授權(quán)。

“硼中子俘獲療法”是世界先進(jìn)的二元靶向放射治療方法，其原理是將強(qiáng)靶向性的含硼藥物施于癌細(xì)胞并滯留其中，利用熱中子與硼的俘獲反應(yīng)，產(chǎn)生的能量僅作用于約10 μm的癌細(xì)胞內(nèi)，徹底破壞其遺傳結(jié)構(gòu)，使其不能修復(fù)而凋亡。使用該療法進(jìn)行惡性腫瘤治療可在徹底殺滅腫瘤組織同時(shí)，最大程度保留患部周圍正常組織及功能，大大提高患者治療后生活質(zhì)量與生存時(shí)期。

目前國際上只能在堆功率從幾百到幾萬千瓦的大中型研究堆上對病人照射。而中國原創(chuàng)的IHNI裝置是一種微型堆，只有30 kW，能在醫(yī)院內(nèi)實(shí)施癌患的治療。此外，IHNI堆芯實(shí)現(xiàn)了低濃化，擺脫了國際上對高濃鈾防核擴(kuò)散的種種審批限制，可順暢進(jìn)入核醫(yī)療市場。IHNI被國際原子能機(jī)構(gòu)稱為“具有親用戶的核安全特性”，可由醫(yī)師自行掌控。IHNI堆芯一爐裝料可持續(xù)使用一個(gè)堆壽期約20年，除常規(guī)供水、供電、供氣外，不需特殊配置，癌患的照射花費(fèi)比重離子放射或大型加速器低。

2.7 膠體量子點(diǎn)微型光譜儀研制成功

光譜儀是一種能夠分辨不同顏色（波長）光波強(qiáng)度的分析儀器，已被非常廣泛地應(yīng)用在諸如天文、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)等多領(lǐng)域。這類設(shè)備通常體積過大以致于難以移動(dòng)。科學(xué)家長期致力于讓光譜儀小型化、成本低廉且易于使用，以便增加它們的使用范圍。

清華大學(xué)鮑捷與合作者基于膠體量子點(diǎn)的吸收特性，利用膠體量子點(diǎn)組成的二維吸收濾波陣列取代傳統(tǒng)光譜儀的衍射和濾波等光學(xué)元件，研制成功膠體量子點(diǎn)微型光譜儀。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015 年7月2日《Nature》［523（7558）: 67-70］。

該微型光譜儀由195個(gè)膠體量子點(diǎn)組成，光譜范圍達(dá)300 nm，分辨率達(dá)1 nm。這種微型光譜儀不僅可通過增加不同的量子點(diǎn)，使其分辨率和光譜范圍同時(shí)增加，而且容易制備和集成，具有尺寸小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

作為一種光譜儀微型化方法的新突破，這種方法為制作高性能、低造價(jià)、體積小于智能手機(jī)攝像頭的微型光譜儀鋪平了道路，將在包括太空探索、個(gè)性化醫(yī)療、微流控芯片實(shí)驗(yàn)室診斷平臺等領(lǐng)域具有具有廣泛應(yīng)用。

2.8 制備出大面積高質(zhì)量二維超薄Mo2C超導(dǎo)晶體

二維過渡金屬碳化物（TMC）是一大類具有新奇特性和應(yīng)用的材料家族，高質(zhì)量二維TMC的制備是研究TMC在二維極限下新物理和新物性的基礎(chǔ)。然而，迄今為止所獲得的二維TMC納米片存在大量缺陷和官能團(tuán)，且其最大尺寸僅約10 μm。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室任文才研究組，采用上層銅箔/底層鉬箔構(gòu)成的雙金屬疊片作為生長基體的化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在高溫下通過銅催化裂解甲烷生成的碳原子與擴(kuò)散到銅表面的鉬原子反應(yīng)生長出高質(zhì)量的超薄二維α-Mo2C晶體。這些二維晶體具有規(guī)則的幾何形狀，僅有幾納米厚，橫向尺寸可達(dá)100 μm，并且具有很高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。對材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)表征發(fā)現(xiàn)這種材料為正交結(jié)構(gòu)，具有很高的結(jié)晶質(zhì)量，結(jié)構(gòu)均一，無缺陷、雜質(zhì)等。而進(jìn)一步與北京大學(xué)納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室康寧等合作研究發(fā)現(xiàn)，這種二維材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出二維特性，與Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相變特征一致，并隨磁場方向表現(xiàn)出強(qiáng)的各向異性。而且，其超導(dǎo)電性強(qiáng)烈依賴于晶體的厚度。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年8月17日《Nature Materials》［14（11）: 1135-1141］。

這種以雙金屬疊片為基體的CVD方法具有很好的普適性和可控性，可以用于制備其他二維過渡族金屬碳化物。這類高質(zhì)量二維過渡族金屬碳化物晶體為二維材料家族增添了新成員，不僅為研究其本征物性以及與現(xiàn)有二維材料不同的新物性和新應(yīng)用提供了可能，而且可用于與其他二維晶體材料一起構(gòu)筑新型疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，拓展了二維材料的物性和應(yīng)用空間。

2.9 高效低成本光催化制氫材料研發(fā)成功

傳統(tǒng)的石油和化石能源的消費(fèi)引起全球變暖、環(huán)境污染和能源短缺等問題，成為人類可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，而通過模擬光合作用，設(shè)計(jì)高效光催化體系吸收光分解水制氫，將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能，是一種理想的制氫途徑。但由于大量使用貴金屬催化劑，成本昂貴。同時(shí)，吸光材料與助催化劑之間空間分布不均勻，可能會(huì)減少光誘導(dǎo)激發(fā)態(tài)電子的生成，降低界面激發(fā)態(tài)電子的壽命，極大影響光催化制氫的效率。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院杜平武課題組設(shè)計(jì)制備出具有高轉(zhuǎn)化率的非貴金屬光催化制氫材料，表現(xiàn)出優(yōu)越的人工光合成制氫性能和穩(wěn)定性。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年9月1日《Energy & Environmental Science》上。過渡金屬磷化物作為助催化劑具有很好的光催化產(chǎn)氫的性質(zhì)，將磷化亞銅、磷化鉬等磷化物負(fù)載在半導(dǎo)體上，可有效提升半導(dǎo)體光催化產(chǎn)氫的效率。在此基礎(chǔ)上，研究組利用溶劑熱法，將新型磷化鎳助催化劑負(fù)載在硫化鎘半導(dǎo)體納米線上，得到了分布均勻、接觸緊密的磷化鎳/硫化鎘復(fù)合結(jié)構(gòu)，獲得了高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的人工光合成催化劑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和光譜表征證明，該復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)復(fù)合材料內(nèi)的快速電子轉(zhuǎn)移過程，抑制激發(fā)態(tài)電子的失活，提高可見光催化制氫性能。在添加硫化鈉/亞硫酸鈉情況下，該催化劑材料實(shí)現(xiàn)了高效的光催化制氫：可見光大于420 nm條件下，產(chǎn)氫速率達(dá)到1200 μmol/（mg?h），90 h反應(yīng)轉(zhuǎn)化次數(shù)約達(dá)3270000，基于磷化鎳助催化劑的反應(yīng)次數(shù)達(dá)36400/h。由于原料價(jià)格低廉，性能優(yōu)異，制備簡單，該材料作為光催化制氫材料展現(xiàn)出重要前景。

2.10 中國研制出世界最高效固態(tài)量子存儲器

中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組成功實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)發(fā)射的確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲。該成果在國際上首次實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)與固態(tài)量子存儲器兩種不同固態(tài)系統(tǒng)之間的對接，并且實(shí)現(xiàn)了100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲，模式數(shù)創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。研究成果發(fā)表在2015年10月15日的《Nature Communications》。

糾纏分發(fā)是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。由于信道中不可避免的傳輸損耗，目前在信道中直接進(jìn)行糾纏分發(fā)只能達(dá)到百公里量級，要想實(shí)現(xiàn)長程的糾纏分發(fā)則需要基于單光子量子存儲和兩光子Bell基測量的量子中繼技術(shù)。目前已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的量子存儲或量子中繼方案都是基于概率性光源（光子產(chǎn)生幾率一般低于1%且存在多光子項(xiàng)）的存儲，這類方案的長程糾纏分發(fā)時(shí)間預(yù)計(jì)將在分鐘量級以上。

李傳鋒研究組利用自組織量子點(diǎn)產(chǎn)生確定性單光子源（原則上光子產(chǎn)生幾率100%且每次有且僅有單個(gè)光子），然后通過光纖傳輸?shù)? m外的另一張光學(xué)平臺上的固態(tài)量子存儲器中。他們一方面利用局部光學(xué)加熱方法調(diào)節(jié)單光子的波長與固態(tài)量子存儲器的操作波長相匹配，另一方面利用光學(xué)頻率梳技術(shù)把單光子存儲到研究組自主研發(fā)的“三明治”型固態(tài)量子存儲器［PRL 108， 190505； PRL 115，113002］中，并測得單光子偏振態(tài)的存儲保真度為91.3%。研究組進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)確定性單光子的100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲，模式數(shù)創(chuàng)造了世界最高水平。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)演示了加速糾纏分發(fā)的兩個(gè)最重要的要素，即確定性量子光源和多模式量子存儲。前者可以指數(shù)加速糾纏分發(fā)，后者則可以線性加速，兩者結(jié)合在一起預(yù)計(jì)可以使長程糾纏分發(fā)的時(shí)間縮短到毫秒量級。該成果還首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)量子節(jié)點(diǎn)，即量子點(diǎn)和固態(tài)量子存儲器的對接，向?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要的一步。

3 2015年中國重大工程進(jìn)展（10項(xiàng)）

3.1 中國成功研制世界先進(jìn)水平航天器“發(fā)動(dòng)機(jī)”

2015年1月2日，由中國航天科技集團(tuán)公司五院自主研制的中國首個(gè)衛(wèi)星用200 mm離子電推進(jìn)系統(tǒng)（lips-200）地面壽命及可靠性試驗(yàn)累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到6000 h，開關(guān)機(jī)3000次，具備確保衛(wèi)星在軌可靠運(yùn)行15年的能力，這標(biāo)志著中國自主研制的電推進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，將全面邁入工程應(yīng)用階段，能夠滿足中國通信衛(wèi)星系列平臺、高軌遙感平臺、深空探測器的發(fā)展需求。

2015年11月20日，由中國航天科技集團(tuán)公司五院承擔(dān)的“星載電推進(jìn)系統(tǒng)地面集成演示驗(yàn)證”項(xiàng)目通過現(xiàn)場檢查和驗(yàn)收評審。

電推進(jìn)技術(shù)是目前最先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)，與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，具有大幅減少推進(jìn)劑、操控更靈活、定位更精準(zhǔn)等優(yōu)勢，航天器采用電推進(jìn)系統(tǒng)能夠極大地提高有效載荷比，節(jié)約衛(wèi)星發(fā)射成本，延長衛(wèi)星在軌工作壽命。

中國經(jīng)過40多年的研究，突破了離子推力器等單機(jī)關(guān)鍵技術(shù)。然而，由于電推進(jìn)涉及高電壓供電等系統(tǒng)問題，中國電推進(jìn)工程應(yīng)用進(jìn)展緩慢。為此，中國航天科技集團(tuán)公司五院啟動(dòng)電推進(jìn)系統(tǒng)演示驗(yàn)證，提出從“系統(tǒng)集成、整星兼容、效能評估”3方面開展試驗(yàn)驗(yàn)證的總體方案并成功獲批，成為“十二五”宇航領(lǐng)域首個(gè)獲批演示驗(yàn)證類項(xiàng)目。該項(xiàng)目取得了國際上首次基于大型通信衛(wèi)星整星電推進(jìn)點(diǎn)火、9500 h壽命試驗(yàn)等標(biāo)志性成果。項(xiàng)目成果具有較強(qiáng)的公用性和適應(yīng)性，將應(yīng)用于中國東方紅系列衛(wèi)星新研發(fā)平臺及全電推平臺的設(shè)計(jì)與研制。

3.2 中國首列“永磁高鐵”試跑成功

2015年1月14日，由中國南車株洲所研制的永磁同步牽引系統(tǒng)在青島成功完成首次軌道運(yùn)行，并順利通過中國鐵路總公司評審，即將開始整車型式試驗(yàn)與運(yùn)行考核。這是中國首列基于永磁同步電機(jī)的高速動(dòng)車組的“首秀”，標(biāo)志著中國成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。

世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)技術(shù)，經(jīng)歷了直流系統(tǒng)、異步系統(tǒng)、永磁系統(tǒng)三大階段。永磁同步牽引電機(jī)具有轉(zhuǎn)速小球表示量子節(jié)點(diǎn)，線表示信道，不同節(jié)點(diǎn)間利用信道傳輸光子進(jìn)行連接。不同顏色的小球代表構(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)的各種不同量子系統(tǒng)。右下角插圖展示了量子點(diǎn)與固態(tài)量子存儲器的能級結(jié)構(gòu)穩(wěn)、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等諸多特點(diǎn)，節(jié)能可達(dá)10%以上。中國永磁在軌道交通上的研發(fā)起步較晚，但目前已追趕上國外先進(jìn)水平。

高速動(dòng)車組永磁牽引系統(tǒng)項(xiàng)目系國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目子課題，其中的永磁電機(jī)是國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域功率最大的永磁電機(jī)。項(xiàng)目組攻克了高速列車永磁牽引系統(tǒng)方波控制、高速重投等系列技術(shù)難題，通過大量工程化研究和多輪樣機(jī)試制、試驗(yàn)，完成了永磁牽引系統(tǒng)在高鐵上的工程化應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)中國首套高速列車永磁牽引系統(tǒng)的研制、試驗(yàn)和裝車。

3.3 EAST輔助加熱系統(tǒng)驗(yàn)收

2015年2月10日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置輔助加熱系統(tǒng)”（簡稱EAST輔助加熱系統(tǒng)）項(xiàng)目在合肥通過驗(yàn)收。

EAST輔助加熱系統(tǒng)開工以來，項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)并研制出穩(wěn)態(tài)大功率低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)展了C波段穩(wěn)態(tài)大功率微波系列設(shè)備和系統(tǒng)集成技術(shù)，成功解決了薄壁水滴型鉬管成型焊接工藝、高性能大體積絕緣箱體一體化成型等一系列技術(shù)難題。

建成的EAST輔助加熱系統(tǒng)的輸出功率、運(yùn)行脈沖長度等參數(shù)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，擁有完全獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)，其中低雜波系統(tǒng)性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平、中性束系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。該項(xiàng)目進(jìn)一步提升了中國大規(guī)模自主研發(fā)聚變關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)的能力，為EAST開展高水平科學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

EAST于2007年3月通過驗(yàn)收，是中國自行設(shè)計(jì)建設(shè)的世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，現(xiàn)已成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的實(shí)驗(yàn)平臺及未來5年世界上唯一有能力實(shí)現(xiàn)400 s長脈沖高性能放電的聚變裝置。

EAST輔助加熱系統(tǒng)是EAST大科學(xué)裝置的二期工程。EAST輔助加熱系統(tǒng)是國家發(fā)展改革委員會(huì)“十五”大科學(xué)工程項(xiàng)目，于2008 年7月立項(xiàng)，2011年11月開工建設(shè)，總投資2.3億元人民幣，建設(shè)4 MW中性束加熱系統(tǒng)、4 MW低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3.4 中國新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星準(zhǔn)確入軌

2015年3月30日21∶52，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”運(yùn)載火箭，成功將首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道。

2015年4月21日，首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入工作軌道；14∶18，地面成功接收到衛(wèi)星下發(fā)的導(dǎo)航信號，標(biāo)志著中國新一代衛(wèi)星研制、發(fā)射取得了里程碑式的成功。2015年7月25日20∶29，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號乙/遠(yuǎn)征一號”運(yùn)載火箭成功將2顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空，經(jīng)過約3.5 h飛行后，“遠(yuǎn)征一號”上面級將2顆衛(wèi)星準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道。這是“遠(yuǎn)征一號”第2次飛行，也是其首次執(zhí)行運(yùn)送雙星入軌任務(wù)。

2015年9月30日7∶13，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號乙”運(yùn)載火箭成功將第4顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空。這是中國發(fā)射的第20顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，星上首次搭載氫原子鐘，入軌后將開展星載氫原子鐘、星間鏈路、新型導(dǎo)航信號體制等試驗(yàn)驗(yàn)證工作，并適時(shí)入網(wǎng)提供服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、測速、授時(shí)服務(wù)，并兼具短報(bào)文通信能力。2000年底開始向中國及周邊地區(qū)提供服務(wù)，2012年底正式向亞太大部分地區(qū)提供運(yùn)行服務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃，2018年可為“一帶一路”沿線國家提供基本服務(wù)；2020年將建成由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球區(qū)域覆蓋，并且國內(nèi)精度達(dá)到2.5 m。

新一代北斗衛(wèi)星具有更高的定位和授時(shí)精度、更強(qiáng)的在軌自主運(yùn)行能力、更加輕盈小巧的結(jié)構(gòu)，將開展新型導(dǎo)航信號體制、星間鏈路等試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)提供依據(jù)。也標(biāo)志著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展。

3.5 長征六號點(diǎn)火發(fā)射成功，一箭20星創(chuàng)亞洲之最

2015年9月20日7∶01，中國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用全新研制的長征六號運(yùn)載火箭，成功將20顆衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，開創(chuàng)了中國一箭多星發(fā)射的新紀(jì)錄。這也是中國新一代運(yùn)載火箭的首次發(fā)射，標(biāo)志著中國運(yùn)載火箭應(yīng)用進(jìn)入新紀(jì)元。

長征六號運(yùn)載火箭由中國航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院抓總研制，于2009年8月正式批復(fù)立項(xiàng)。火箭全長29 m，一級直徑3.35 m，二、三級直徑2.25 m，起飛推力1200 kN。長征六號運(yùn)載火箭采用了全新的總體方案、結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，自主創(chuàng)新成果達(dá)幾十項(xiàng)，發(fā)射可靠性提高到0.98，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

長征六號運(yùn)載火箭首次采用了高壓補(bǔ)燃循環(huán)無毒無污染液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、“三平”測發(fā)模式，成功突破高精度控制技術(shù)、氧箱自增壓技術(shù)、燃?xì)鉂L控技術(shù)、箭地一體化快速測發(fā)技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并按照“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計(jì)思路，可進(jìn)一步提高運(yùn)載能力，有效提高國際商業(yè)發(fā)射市場競爭力，標(biāo)志著中國在運(yùn)載火箭現(xiàn)代化、模塊化方面邁出了堅(jiān)實(shí)一步，對中國運(yùn)載火箭后續(xù)發(fā)展具有里程碑意義。

此次長征六號首飛箭采用了一箭20星狀態(tài)，將中國航天科技集團(tuán)公司東方紅衛(wèi)星公司、深圳東方紅海特衛(wèi)星公司及國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位研制的20顆衛(wèi)星送入了預(yù)定的軌道，在國內(nèi)屬于首次。

3.6 首臺萬米級無人潛水器和著陸器4000 m級海試成功

2015年9月26日至10月25日，上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)技術(shù)研究中心研制的中國首臺萬米級無人潛水器“彩虹魚”號和著陸器，在南海成功完成4000 m級海試，標(biāo)志著中國探秘“萬米深淵”邁出實(shí)質(zhì)性的一步。

本次海試中，完成無人潛水器下潛試驗(yàn)2次，最大潛深2100 m；完成著陸器下潛試驗(yàn)4次，其中2次為4000 m級試驗(yàn)，最大潛深為4328 m。

海試的11000 m無人潛水器“彩虹魚”號由中國自主研制，布放與回收系統(tǒng)、中繼站系統(tǒng)、光纖纜、水面控制系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，潛水器本體系統(tǒng)國產(chǎn)化率達(dá)到95%。海試表明，“彩虹魚”號的水面控制臺、水面顯控設(shè)備、水面配電設(shè)備均能正常工作，潛水器的本體功能正常。通過海試，全海深著陸器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得到驗(yàn)證，提前實(shí)施了無纜布放，多次獲得海水溫鹽深探測儀（CTD）的測量數(shù)據(jù)。著陸器抵達(dá)海底后，拍攝到海底生物；著陸器攜帶的小生物抓捕器，還捕獲小石斑魚。

根據(jù)計(jì)劃，在2016年下半年，“彩虹魚”號和著陸器將乘坐下水的4800 t級“張謇”號科考母船前往馬里亞納海溝區(qū)域，進(jìn)行11000 m無人深潛測試。2017年，開展從南極至北極的“極地深淵科考探索之旅”。2019年，全海深載人潛水器將沖擊馬里亞納海溝。

3.7 首架國產(chǎn)大飛機(jī)下線

2015年11月2日，中國自主研制的首架大型客機(jī)C919在上海正式下線，成為中國大飛機(jī)工程的重要里程碑。

1980年9月，中國建造的大飛機(jī)運(yùn)10首飛成功。2006年1月，中國將大型飛機(jī)項(xiàng)目列為國家中長期科技規(guī)劃的16個(gè)重大專項(xiàng)之一。2008年11月，C919項(xiàng)目啟動(dòng)。2009年9月，C919 機(jī)頭樣機(jī)在中航工業(yè)成都飛機(jī)有限公司開工制造。2014年5月15日，C919前機(jī)身大部段成功下線。2014年9月19日，第一架C919大型客機(jī)在中國商飛上海浦東總裝基地正式開始結(jié)構(gòu)總裝工作。

C919大型客機(jī)是中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中短程商用干線飛機(jī)，包括飛機(jī)總體方案、氣動(dòng)外形、飛機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)與制造、系統(tǒng)集成及工程項(xiàng)目管理等均具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，并具有“更安全、更經(jīng)濟(jì)、更舒適、更環(huán)保”等特性。C919標(biāo)準(zhǔn)航程型設(shè)計(jì)航程為4075 km，增大航程型設(shè)計(jì)航程為5555 km，可滿足航空公司對不同航線的運(yùn)營需求。標(biāo)準(zhǔn)航程型飛機(jī)最大起飛重量72500 kg，最大設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)壽命為90000飛行小時(shí)/60000飛行循環(huán)/30個(gè)日歷年，其基本型全經(jīng)濟(jì)級布局為168座，混合級布局為158座。

中國商飛公司采用“主制造商-供應(yīng)商”模式，國內(nèi)有22個(gè)省市、200多家企業(yè)、36所高校、數(shù)十萬產(chǎn)業(yè)人員參與了C919大型客機(jī)研制，包括寶鋼集團(tuán)有限公司在內(nèi)的16家材料制造商和54家標(biāo)準(zhǔn)件制造商成為大型客機(jī)項(xiàng)目的供應(yīng)商或潛在供應(yīng)商。

3.8 大型反場箍縮磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置“科大一環(huán)”建成運(yùn)行

2015年11月3日，中國首臺大型反場箍縮磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置“科大一環(huán)”，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成安裝調(diào)試并進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行。目前每2 min即可獲得1次放電，最大等離子體電流可達(dá)180 kA。

“科大一環(huán)”為科學(xué)技術(shù)部“國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)”支持的大型裝置建設(shè)項(xiàng)目。“科大一環(huán)”大半徑1.4 m，小半徑0.4 m，磁場可達(dá)7000 Gs，等離子體電流達(dá)1 MA，電子溫度達(dá)600萬℃，放電時(shí)間達(dá)100 ms。其裝置主機(jī)總體直徑8 m，通高6 m，總重量超過70 t。

目前國際上有4個(gè)主要返場箍裝置，即美國MST裝置、歐盟RFX-Mod裝置、歐盟Extrap-T2R裝置、日本的RELAX裝置。“科大一環(huán)”是中國完全自行設(shè)計(jì)、自主研制集成的國際先進(jìn)反場箍縮裝置，設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)國際同類裝置先進(jìn)水平，為等離子體物理研究的科研人員提供了一個(gè)全新的大型實(shí)驗(yàn)平臺。

3.9 世界最大球面射電望遠(yuǎn)鏡饋源艙在貴州升艙

2015年11月21日，在貴州平塘安裝建設(shè)的世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）及核心部件饋源艙進(jìn)行升艙，標(biāo)志著整個(gè)工程進(jìn)入尾聲。

FAST望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)500 m，從頂?shù)降椎拇怪本嚯x接近138 m，反射面總面積約25萬m2。FAST索網(wǎng)直徑500 m、總重量1300余噸，是目前世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動(dòng)自動(dòng)變化，帶動(dòng)索網(wǎng)上活動(dòng)的4450個(gè)反射面板產(chǎn)生變化，足以觀測到任意方向的天體；同時(shí)，饋源艙也隨索網(wǎng)一同運(yùn)動(dòng)，采集反饋信息。這4450個(gè)反射面每1個(gè)都可以進(jìn)行對焦，靈敏度可達(dá)美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的2倍，巡天速度是其10倍。與號稱“地面最大的機(jī)器”的德國波恩100 m望遠(yuǎn)鏡相比，靈敏度提高約10倍。

FAST于1995年醞釀選址，2011年開工建設(shè)，全部安裝及測試工作將于2016年9月前完成。建成后能將中國空間測控能力由月球延伸到太陽系外緣，可以把深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高幾十倍，并可在今后20～30年的時(shí)間里保持世界一流地位。

3.10中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射成功

2015年12月17日08∶12，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。

2015年12月20日08∶45，中國遙感衛(wèi)星地面站喀什站成功跟蹤、接收到“悟空”的首軌X頻段下行數(shù)據(jù)，至08∶52完成任務(wù)數(shù)據(jù)的接收、記錄，并傳輸至中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，標(biāo)志著“悟空”和地面站星地之間的數(shù)據(jù)傳輸鏈路正式開通。

“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，是中國第一顆完全由中國科學(xué)院研制、生產(chǎn)的衛(wèi)星，也是中國空間科學(xué)衛(wèi)星系列的首發(fā)星。工作軌道為高約50 km的晨昏太陽同步軌道，有效載荷質(zhì)量1410 kg，觀測能段范圍為5 GeV～10 TeV，能量分辨率優(yōu)于1.5%，是目前世界上觀測能段范圍最寬、空間和能量分辨率世界領(lǐng)先的高能粒子探測器，可以精確測量宇宙高能粒子（電子、伽瑪、宇宙射線核素等）的物理特征和空間分布。

暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家稱為“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”。中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程于2011年立項(xiàng)論證，2012 —2015年進(jìn)行工程研制，2015—2018年在軌運(yùn)行，承擔(dān)3個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)：通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽瑪射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子，在暗物質(zhì)研究這一前沿科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破；通過觀測TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破；通過觀測高能伽瑪射線，在伽瑪天文方面取得重要成果。此次發(fā)射的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星由中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制，中國科學(xué)院紫金山天文臺等科研單位共同參加有效載荷、科學(xué)應(yīng)用等工程項(xiàng)目研制工作。

【作者單位：《科技導(dǎo)報(bào)》編輯部】

（摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年第3期）

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