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量子通信、活病毒疫苗、许昌人等入选去年中国科学十大进展

发布日期:2018-4-8 下午 10:29:20 浏览:31

来源时间为:2018-02-27

 “中国科学十大进展”遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办,截至2018年已举办13届。研究进展由《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》五家编辑部推荐,由两院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者经过初选和终选两轮投票选出。该项活动旨在加强对中国重大基础研究进展的宣传,激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神,促进公众更加理解、关心和支持科学,在全社会营造良好的科学氛围。

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本文图均为中国科学院院刊微信公众号图

“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]

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sciencenews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]

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评述该进展为病毒疫苗领域的革命性突破,nature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》[physicalreviewletters,119,112001]

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,清华大学、华中师范大学、中国科学院大学和武汉大学是合作组的成员单位。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。

欧洲核子研究中心对双粲重子的发现作了专门的新闻发布,受到全球媒体的竞相报道。审稿人评价:“该论文给出了期待已久的重要结果——首次观测到双粲重子。”美国《物理》杂志同时以“倍加迷人的粒子”为题进行了专论报道,认为该发现“为科研人员提供了检验量子色动力学的独特体系”。

4实验发现三重简并费米子

三重简并费米子(右)与四重简并狄拉克费米子(左)和两重简并外尔费米子(中)

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》[nature,546(7660):627—631]

5实现氢气的低温制备和存储

基于pt/α-moc催化剂实现水和甲醇低温液相重整反应产氢

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,容易和车载或固定聚合物电解质膜燃料电池整合,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,可达每摩尔铂每小时产氢18,046摩尔。

这种优越的制氢能力远大于以前报道的低温甲醇重整催化剂(高出近两个数量级),其关键在于α-moc突出的解离水的能力以及铂和α-moc协同活化并重整甲醇的能力。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》[nature,544(7648):80—83]和2017年7月28日《科学》[science,357(6349):389—393]

上述研究进展被多家科学媒体报道并高度评价,美国化学会c&enews杂志和英国皇家化学会chemistryworld杂志分别以“氢能源:制备氢燃料新过程”和“新型催化剂点亮氢能汽车未来”为题进行了亮点报道,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

析出相结构及其高共格特性

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。

然而几十年来高性能超高强钢的研究始终基于传统的半共格析出产生强共格畸变的学术思路,存在着析出相数量有限,析出尺寸不够合理且分布不均匀的固有缺陷,这既降低了材料的塑韧性又严重影响服役安全性。此外,昂贵的制备成本也限制了其实际应用,成为困扰高端钢铁工业发展的难题。

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。所涉及的颠覆性合金设计思想也可应用于其它结构材料的研发。

相关研究进展发表在2017年4月27日在《自然》[nature,544(7651):460—464]

《自然·材料》(naturematerials)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

基于量子相变驱动的纠缠态生成

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-8

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