科學也可以如此靠近

2018年,這些重大科技成果被科技部點讚

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2019

2019年1月09日13時 中國科技網

中國科技網

1月9日,2019年全國科技工作會議在京召開,在總結2018年科技工作時,工作報告提出,我國的科技實力實現新躍升,重點領域研發布局更加優化,基礎研究進一步加強,戰略高技術領域取得重要突破,科技重大專項深入實施,科技支撐重大工程和產業升級取得新突破。同時點讚了多項重大創新成果。動源君為你一一解讀這些重要科技成就。

01

首次在半導體量子點體系中實現三量子比特邏輯門

中國科學技術大學獲郭光燦院士團隊創新性地製備了半導體六量子點晶片,在國際上首次實現了半導體體系中的三量子比特邏輯門操控,為未來研製集成化半導體量子晶片邁出堅實一步。郭光燦團隊中的郭國平教授研究組長期致力於半導體量子晶片研發,郭國平與教授肖明、研究員李海歐、曹剛等人合作,通過理論計算分析,創新性地設計了T型電極開口式六量子點結構,該結構使得控制比特與目標比特有較強的耦合,同時兩個目標比特之間的耦合較小,很好地滿足了實現兩個控制比特對目標比特受控非門的操控要求。他們利用優化設計的高頻脈衝量子測控電路,成功實現了世界上首個基於半導體量子點體系的三電荷量子比特邏輯門,進一步提升量子計算的效率,為可擴展、可集成化半導體量子晶片的研製奠定了堅實基礎。

國際應用物理學權威期刊《物理評論應用》日前發表了該成果。《物理評論應用》審稿人認為,這項工作是半導體量子點量子計算方向的一個重要進展,詳細、清楚地展示了高水平的實驗技術,將引起學界對該領域極高的研究熱情。

02

首次發現鐵基超導體中的馬約拉納束縛態,實現拓撲量子計算機重大突破

1937年,物理學家馬約拉納(Ettore Majorana)把描寫費米子的基本運動方程(狄拉克方程)分解成電荷共軛不變的兩部分(即馬約拉納方程),得到了「自己是自己的反粒子」的馬約拉納費米子。八十一年來,馬約拉納費米子的相關研究一直是物理學最前沿的問題之一。

高能物理領域一直在尋找中微子是馬約拉納費米子的實驗證據,如果證實,將是繼發現希格斯波色子後的又一重大發現。縛態清晰乾淨地直接觀測提供希望。中科院物理研究所的一個研究團隊利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微系統在鐵基超導體中發現了馬約拉納束縛態。

圖為馬約拉納束縛態的空間及能量特徵

與以往的實驗結果不同,探測到的馬約拉納束縛態峰位不隨空間位置變化,實驗峰寬接近於系統的能量解析度。他們隨後驗證了馬約拉納束縛態在不同隧道結、磁場以及溫度下的行為。理論擬合顯示磁通渦旋中的馬約拉納束縛態來源於拓撲表面態超導的准粒子激發。與此同時,體態磁通渦線的准粒子熱激發會抑制表面的馬約拉納束縛態。這些結果表明,實驗觀測到的馬約拉納束縛態不與平庸的低能激發態混合,首次清晰地觀測到了純的馬約拉納束縛態。其較高的零能峰觀測溫度,暗示未來可以調控實現液氦溫度的馬約拉納束縛態。研究報告(PDF)發表在《科學》期刊上。

03

首次人工創建單條染色體真核細胞

釀酒酵母大家都不陌生,我們日常做啤酒做麵包都離不開它,它本來有16條染色體,可你見過只有單條染色體的釀酒酵母嗎?

中科院植物生理生態研究所在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞。這是合成生物學領域具有里程碑意義的突破,打開了「改造」生命的大門。

圖為:覃重軍團隊成員在電子顯微鏡前觀察單條染色體真核細胞形態

2010年,美國科學家J. Craig

Venter團隊在《科學》上報導了世界上首個「人造生命」——含有全人工化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體,引起轟動。而這一次,以覃重軍研究組為主的研究團隊完成了將單細胞真核生物釀酒酵母天然的16條染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體。這意味著,天然複雜的生命體系可以通過人工干預變得簡約,自然生命的界限可以被人為打破,甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。

該研究成果是通過經典分子生物學「假設驅動」與合成生物學「工程化研究模式」來探索解析生命起源與進化中重大基礎科學問題的一個新範例。對天然複雜的酵母染色體實施人工改造,賦予其全新的簡約化形式,這是繼原核細菌「人造生命」之後的一個重大突破。

單染色體酵母的「誕生」,意味著中國學者再一次利用合成科學策略,回答生命科學領域一個重大的基礎問題,即建立原核生物與真核生物之間基因組進化的橋樑,為人類對生命本質的研究開闢了新方向。

04

磁約束核聚變大科學裝置多項實驗取得突破,首台散裂中子源建成並投入運行

8月23日,中國散裂中子源項目通過國家驗收,正式投入運行。它好比一個大顯微鏡,方便我們觀察世間萬物。

圖為:散裂中子源

光穿過透明的樣品,可帶出樣品內部的信息;同樣,中子流也可以穿透目標,帶出信息。中子不帶電,不與電子和質子作用,所以即使材料很厚,中子也能輕鬆穿透。

一開始,人們用核反應堆生產中子,但核反應速度不能太快。散裂中子源應運而生。它用電磁場加速質子,像炮彈一樣狠狠砸向鎢、汞等重金屬原子核。巨大的原子核就「散裂」出一些自由的中子。

散裂中子源還可以觀察高鐵輪子是否質量過關——它能透視零件內部的應力是否釋放。中子源還能實時觀察飛機發動機怎樣疲勞受損的,以便改進設計。

散裂中子源對中國探索前沿科學問題、攻克核心技術、解決「卡脖子」問題有重要意義。目前只有美、日、中、英擁有該技術。

中國散裂中子源是我國「十一五」期間重點建設的十二大科學裝置之首。它總投資23億元,包括一台直線加速器、一台快循環同步加速器、一個靶站,以及一期建設的三台不同類型的中子譜儀。

中國散裂中子源的國產化率超過90%,它的製造直接拉升了中國在磁鐵、電源、探測器和電子學方面的水準。

05

「嫦娥四號」探測器首次成功登陸月球背面

2019年1月3日上午10點26分,「嫦娥四號」探測器成功著陸在月球背面東經177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區,並通過「鵲橋」中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖,揭開了古老月背的神秘面紗。

此次任務實現了人類探測器首次月背軟著陸,首次月背與地球的中繼通信,開啟了人類月球探測新篇章。

11時40分,嫦娥四號著陸器獲取了月背影像圖並傳回地面。這是人類探測器首次在月球背面拍攝的圖片,第一次揭開古老月背的神秘面紗。

06

國產大型水陸兩棲飛機水上首飛

由中國航空工業集團有限公司自主研製的國產首款大型水陸兩棲飛機——「鯤龍」AG600(以下簡稱「AG600」)在湖北荊門漳河機場成功進行了水上首飛。這是繼2017年12月24日AG600成功實現陸上首飛後又一歷史性時刻。

據了解,作為中國大飛機「三兄弟」之一的大型水陸兩棲飛機AG600是中國為滿足森林滅火和水上救援的迫切需要,首次研製的大型特種用途民用飛機,是國家應急救援體系建設急需的重大航空裝備。

其以水陸兩用、裝載量大、航程遠、升限適中、速度範圍廣、超低空飛行性能好等諸多特點,特別適用於火情監測和森林滅火、海難搜索和救援、海洋權益維護、海洋環境監測和保護等用途。AG600還可用於海洋監測、海關緝私、環境和資源監測、航空運輸、航空遊覽/觀光和私人公務等方面,具有十分廣闊的應用前景。

據了解,AG600的陸上、水上成功首飛,是繼中國自主研製的大型運輸機運20實現交付列裝、C919大型客機實現首飛之後,在大飛機領域取得的又一個重大突破,填補了中國在大型水陸兩棲飛機的研製空白。

07

「北斗三號」基本系統完成建設,開始提供全球服務

27日,中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其宣布,北斗三號基本系統已完成建設,於當日開始提供全球服務。「這標誌著北斗系統服務範圍由區域擴展為全球,北斗系統正式邁入全球時代。」冉承其在國務院新聞辦公室舉行的新聞發布會上說。

北斗系統是中國自主建設、獨立運行,與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統,可在全球範圍,全天候、全天時,為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。

截至2018年12月,北斗系統在軌工作衛星共33顆,包含15顆北斗二號衛星和18顆北斗三號衛星。冉承其介紹說,2019至2020年,我國還將發射11顆北斗三號衛星和1顆北斗二號衛星,在鞏固亞太區域服務同時,還將進一步提升全球服務性能。

根據計劃,我國將於2020年全面完成北斗三號全球組網建設,2035年將建成以北斗系統為核心的,更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時(PNT)體系。

08

「地殼一號」萬米鑽機完成松科二井項目,鑽井深度達7018米

6月2日,吉林大學負責研發的「地殼一號」萬米鑽機正式宣布完成首秀,在松遼盆地科學鑽探二井(以下簡稱「松科二井」)工程中成功應用。完鑽井深7018米,創造了亞洲國家大陸科學鑽井新紀錄,這標誌著我國在「向地球深部進軍」的路上取得了新的重大突破。

「地殼一號」萬米鑽機填補了我國在深部大陸科學鑽探裝備領域的空白,大大提高了我國超深科學井鑽探裝備的技術水平,使我國成為世界上第三個擁有實施萬米大陸科學鑽探計劃專用裝備和相關技術的國家。

科學鑽探是探索地球深部奧秘和開發地下資源唯一最直接的技術手段,深部大陸科學鑽探裝備是打開地球奧秘之門的鑰匙。「地殼一號」萬米鑽機就是這樣一把開啟地球奧秘之門的「金鑰匙」。作為我國首台萬米大陸科學鑽探專用裝備,「地殼一號」萬米鑽機由吉林大學於2013年設計完成,中國航天科工集團下屬四川宏華石油設備有限公司加工製造。

09

亞洲最大自航絞吸挖泥船「天鯤號」完成首次試航

經過為期近4天的海上航行,首艘由我國自主設計建造的亞洲最大自航絞吸挖泥船——「天鯤號」於12日成功完成首次試航。這標誌著「天鯤號」向著成為一艘真正的疏浚利器邁出了關鍵一步。此次試航經由長江口北角開往浙江花鳥山海域。

據介紹,「天鯤號」全船長140米,寬27.8米,最大挖深35米,總裝機功率25843千瓦,設計每小時挖泥6000立方米,絞刀額定功率6600千瓦。

10

新藥創製實現重大突破,全球首個抗愛滋病長效融合抑制劑艾博韋泰獲批上市

愛滋病是危害性極大的嚴重的傳染病,由感染愛滋病病毒(HIV病毒)引起。HIV是一種能攻擊人體免疫系統的病毒。HIV在人體內的潛伏期平均為八到九年,患愛滋病以前,可以沒有任何症狀地生活和工作多年。而治療愛滋病藥物品很稀缺,這是一個很空白的醫藥領域,每出現一種治療愛滋病的新藥,都是醫學史上的重大事件。

2018年7月13日,一種全新長效HIV-1融合抑制劑艾可寧獲批上市,國家藥品監督管理局網站表明,此次批准其用於與其他抗逆轉錄病毒藥物聯合使用,治療經抗病毒藥物治療仍有病毒複製的HIV-1感染患者。

艾可寧又稱艾博韋泰,是全球首個抗愛滋病長效融合抑制劑,在全球範圍內具有智慧財產權,也是中國首個自主性研發的針對抗愛滋病的藥物,表明了近年來中國在世界醫藥學上巨大貢獻。艾可寧的問世,也打破了這一類藥物的外國壟斷的局面,使得中國的愛滋病患者有了更大的選擇權利,不用在吉利德、默沙東和葛蘭素三大製藥企業中三選一。

早在2017年,國家就嘗試著帶動國內醫藥企業去研製一種全新的抗愛滋病新藥物,並將這一目標列在了下一個五年發展規劃之中,指定了國內的四家大型的醫藥企業,聯手進行「治療愛滋病創新藥及臨床急需藥物的研發」這一項目。

11

原創抗阿爾茨海默症新藥進入上市申請

一款抗阿爾茨海默症新藥GIBH130及其片劑,已獲得國家食品藥品監督管理局頒發的「藥物臨床試驗批件」。該成果由中科院廣州生物醫藥與健康研究院胡文輝課題組設計與合成,由華南新藥創製中心主導臨床前研究。

阿爾茨海默症俗稱老年痴呆症,是一種中樞神經系統退行性疾病,引發患者的認知障礙和記憶能力損害,導致患者日益惡化的生活能力減退和死亡。

國際阿爾茨海默症聯合會有數據稱,2013年,全球患者共計4435萬;到2030年,將增至7562萬;到2050年,將增至13546萬,其中中國患者3000萬名。

由於發病機制仍不明確,目前缺乏有效的治療方法和預防措施。「臨床上的藥物主要為膽鹼脂酶抑制劑(AChEI)和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體拮抗劑等。」胡文輝說,這些藥物僅能在一定程度上減輕症狀,提高患者的認知力,並不能治癒疾病或延緩疾病的惡化進程。

12

港珠澳大橋開通 創多項工程紀錄

很少有一座橋的開通如此吸引全國的注視,很多人只為去橋上看看,專門安排一趟行程。它就是建築史上里程最長、投資最多、施工難度最大的跨海大橋——港珠澳大橋。它創造了一連串世界紀錄:

全長55公里:世界最長跨海大橋。

15公里的全鋼結構鋼箱梁:世界最長鋼鐵大橋。鋼材用量相當於60座艾菲爾鐵塔。

海底沉管隧道全長6.7公里:世界最長海底隧道;沉管隧道每節長180米,重約8萬噸:世界最大沉管隧道;隧道最深處在海平面以下48米,也是世界紀錄……

跨越伶仃洋的港珠澳大橋,東接香港,西接珠海和澳門,總長約55公里,它集橋、島、隧於一體,從設計到建設前後歷時14年,攻克一系列難題。比如大橋設計東西兩個人工島,用海底沉管隧道連接。隧道由33個巨型沉管組成。沉管在海平面以下13米至48米無人對接,誤差控制在2厘米內,精準程度史無前例。

港珠澳大橋的設計壽命長達120年,打破了國內大橋的「百年壽命慣例」。鋼管樁確保在海泥中120年不損壞,是一個工程奇蹟。它還能抗8級地震,16級颱風。今年幾次超強颱風絲毫未撼動它。

另外,港珠澳大橋是「積木」搭出來的。工廠預製橋墩、橋面、鋼箱梁和鋼管樁,風平浪靜時現場組裝,首次在如此大工程實現這一模式。

13

先進雷射製造工藝取得突破,首次使用紫外光源實現22納米解析度。

11月29日,中科院光電技術研究所承擔的國家重大科研裝備研製項目「超分辨光刻裝備研製」通過驗收,這是世界上首台用紫外光源實現了22納米解析度的光刻機。

光刻機相當於一台投影儀,將精細的線條圖案投射於感光平板,光就是一把雕刻刀。但線條精細程度有極限——不能低於光波長的一半。「光太胖,門縫太窄,光就過不去了。」參與研究的科學家楊勇說。

使用深紫外光源的光刻機是主流,其成像解析度極限為34納米,解析度進一步提高要用多重曝光等技術,很昂貴。

2003年光電所開始研究一種新辦法:金屬和非金屬薄膜貼合,交介面會有無序的電子;光線照射金屬膜,使這些電子有序振動,產生波長短得多的電磁波,可用於光刻。

如此一來,「寬刀」就變成了「窄刀」。光電所研製的光刻機,在365納米波長光源下,單次曝光最高線寬解析度達到22納米,相當於1/17波長。

光刻機為人所熟悉,因為它是集成電路製造業的核心角色。目前荷蘭ASML公司壟斷的尖端集成電路光刻機,加工極限為7納米。光電所的光刻機解析度為22納米,但定位有所不同。

光電所的光刻機擅長加工一系列納米功能器件,包括大口徑薄膜鏡、超導納米線單光子探測器、切倫科夫輻射器件、生化傳感晶片和超表面成像器件,這對中國的遙感成像、生化痕量測量、特種表面材料等領域有重要意義。

「ASML的EUV光刻機使用的13.5納米的極紫外光源,價格高達3000萬元,還要在真空下使用。」項目副總師胡松說,「而我們使用的365納米紫外光的汞燈,只要幾萬元一隻。我們整機價格在百萬元級到千萬元級,加工能力介於深紫外級和極紫外級之間,讓很多用戶大喜過望。」

光電所走高分辨、大面積的技術路線,掌握了超分辨光刻鏡頭、精密間隙檢測、納米級定位精度工件台、高深寬比刻蝕和多重圖形配套光刻工藝等核心專利,技術完全自主可控,在超分辨成像光刻領域國際領先。


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