今年是科技工作者不断进步的一年。他们坚持不懈地追求科学真理，不断创造人类可以达到的新高度。科技界必将乘着时代东风再次扬帆起航，驶向更加绚丽多彩的未来。
1
恢复水稻“祖先”基因
帮助培育更好的水稻品种
从无到有快速驯化异源四倍体野生稻，利用多倍体优势，找回目前栽培稻中已经丢失的部分优良基因，培育产量更高、环境适应性更强的新型水稻作物—— 中国科学院种子创新研究遗传与发育生物学研究所李家阳团队及合作者取得的这一突破性进展于2月4日发表在国际知名学术期刊《细胞》上。
多倍化是植物进化的重要机制。我们今天种植的栽培稻经历了几千年的人工驯化，其农艺性状不断得到改善。然而，它也丧失了大量的遗传多样性，导致优势遗传资源缺乏。异源四倍体比二倍体多两个染色体组。异源四倍体野生稻具有生物量大、自交杂交、环境适应性强等优点。但其非驯化的特性也使其无法直接用于农业生产。
从综合性能较好的四倍体野生稻入手，李家阳团队利用现代基因组编辑技术，在短时间内“重演”了水稻数千年至数万年的驯化历史，并避免了部分基因的丢失。该论文首次设计完成，为异源四倍体野生稻的快速从头驯化提供了框架，有望培育出高产、环境适应性强的新型水稻作物。研究团队突破了基因组分析、高效遗传转化、高效基因组编辑等技术瓶颈。他们注释了异源四倍体高秆野生稻基因组中的一系列驯化基因和重要农艺性状基因，并成功创制了粒粒落粒减少、芒长减少的新产品。各种基因组编辑的异源四倍体野生稻材料变得更短，株高降低，粒长更长，茎粗大，抽穗时间不同程度缩短。
2
《九章》《祖冲之》上映
在两个物理系统中实现量子优越性
发展具有实用价值的量子计算机一直是量子计算领域最重要的发展目标之一，也是各国竞争的焦点。过去一年，我国在量子计算机研发领域取得多项重大进展。
2月27日，国际权威期刊《科学进展》发表了该结果。国防科技大学、军事科学院、中山大学等机构研究人员研制的新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了各类图论问题的求解。量子算法解决方案未来有望应用于大数据处理等领域。
5月7日，《科学》杂志发表了中国科学技术大学潘建伟团队的研究成果。他们成功研制出量子计算原型“祖冲之”，操纵62个超导量子比特。在此基础上，他们实现了可编程二维量子行走。这一成果为在超导量子系统上实现量子优越性以及后续量子计算研究奠定了技术基础，具有巨大的实用价值。
二维超导量子位芯片的示意图。每个橙色十字代表一个量子位。图片来源：潘建伟团队
10月底，潘建伟团队进一步研制出66位可编程超导量子计算原型机“祖冲智2.0”，实现了量子计算在随机线采样任务中的优越性。完成的任务难度比谷歌2019年的“悬铃木”高出2-3个数量级。
与此同时，潘建伟团队升级版的“九丈2.0”也大幅提升了量子优势。对于高斯玻色采样问题，一年前的“九丈”可以在一分钟内完成任务，堪称世界上最强大的。一台超级计算机需要数亿年才能完成； 《九章2.0》一分钟就能完成的任务，需要超级计算机数百亿倍的时间。并且《九章2.0》还具备部分可编程能力。
“九章2.0”和“祖冲之2.0”的出现，使我国成为唯一在两个物理体系上实现量子计算优势的国家。
3
“中国天眼”迎来全球科学家
观察申请将于3月底开始收集
本着开放天空的原则，被誉为“中国天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（FAST）将于2019年12月1日起向世界各国天文学家发出邀请。北京时间2021年3月31日0:00起。对于观察申请，所有国外申请项目都将参加审查。观察期从今年8月开始。
中国天眼位于贵州省黔南州平塘县大窝荡。于2016年建成，是世界上具有自主知识产权的最大单口径、最灵敏的射电望远镜。射电望远镜与光学望远镜相同。孔径越大，接收到的电磁波越多，灵敏度越高，探测能力越强。借此，中国的天眼可以监测宇宙中的微弱无线电信号。
中国天眼设施自通过国家验收并投入运营以来，运行稳定可靠。发现的脉冲星数量已达500多颗，快速射电暴等研究领域取得重大突破。中国天眼的开发建设不仅体现了我国的自主创新能力，而且推动了天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大型结构工程、高新技术等诸多高科技领域的发展。公里范围内的精密动态测量。
中国科学院院士、FAST科学委员会主任吴祥平表示，FAST向世界开放，体现了充分合作的理念和人类命运共同体理念的实践。
4
用液氦创造一个-271C的世界
大型低温制冷设备“中国制造”
4月15日，由中国科学院理化研究所承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”（以下简称“中国科学院理化研究所）通过验收和成果鉴定。项目成果鉴定专家组认为，该项目整体技术达到国际先进水平。这标志着我国具备研制液氦温度（-269）千瓦级和超流氦温度（-271）百瓦级大型低温制冷设备的能力。
液氦是创造超低温的“神器”。随着社会经济的快速发展，我国已成为大型低温制冷设备的主要用户。但由于缺乏大型低温制冷系统、关键分装备和集成技术，我国大型低温制冷设备长期被国外垄断，高度依赖进口。
2015年12月，中科院理化研究所开始从液氦到超流氦的大型低温制冷设备研制。基于几十年的低温技术积累，经过五年的努力，坚持走自主创新之路，终于成功研发出技术指标先进的大型氦制冷机。
5
光存储时间长达1小时
迈向量子USB 闪存驱动器的重要一步
4月，中国科学技术大学郭光灿团队李传峰、周宗全研究组将光存储时间提高到一小时，大幅打破德国团队创下的光存储一分钟的世界纪录2013年，向实现量子USB闪存盘迈出了重要一步。该成果于4月下旬发表在权威学术期刊《自然·通讯》上。
光已成为现代信息传输的基本载体。光速高达每秒30万公里。 “降低”光速，甚至“阻止”光速，一直是国际学术界孜孜以求的目标。光的存储在量子通信领域尤为重要。通过将光子存储在超长寿命的量子存储器，即量子U盘中，可以通过直接传输量子U盘来传输量子信息。考虑到飞机、高铁等交通工具的速度，量子U盘的光存储时间至少需要在小时量级。
2015年，李传峰和周宗全课题组搭建了自己的光学拉曼外差探测核磁共振波谱仪。依托该仪器，他们准确表征了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量，并从理论上预测了塞曼零效应（ZEFOZ）磁场下的一阶能级结构。
未来，依靠更加成熟的量子U盘，人类有望实现基于经典交通工具的量子信息传输，从而建立新的量子通道。
6
“人造太阳”打破世界纪录
实现1.2亿摄氏度101秒的重复燃烧
5月28日，中国科学院合肥物质科学研究院传来好消息。被誉为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现新突破，成功实现可重复1.2亿摄氏度101秒和20秒1.6亿摄氏度等离子体运行，创下新纪录托卡马克实验装置运行世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。
地球上万物生长所依赖的光和热，都来自于太阳核聚变反应后释放的能量。支持这种聚变反应的燃料氘，在地球上储量极其丰富，足够人类使用数百亿年。如果能够用氘制造“人造太阳”来发电，人类有望实现完全的能源自由。
但创造“人造太阳”面临着一个突出的现实问题：应该用什么容器来承载核聚变？在人工控制条件下，等离子体的离子温度需要达到1亿摄氏度以上。目前，地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度超过3000。这意味着需要打造一种能够同时承载大电流、强磁场、超高温、超低温、高真空、高绝缘等复杂环境的器件，这对工艺设计和制造提出了极高的要求。材料。
为了满足聚变实验装置所需的条件，EAST团队的科技工作者自主创新，自主设计开发了大部分具有自主知识产权的关键技术，创造性地完成了EAST装置主机的总体工程设计。世界新一代全超导托卡马克核聚变实验装置在我国首次建成并正式投入运行，为未来清洁能源利用和发展提供了实验研究平台。
7
地球模拟装置启动
看清地球的过去、现在和未来
6月23日，国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”在北京怀柔科学城揭牌。这是我国研制成功的第一个具有自主知识产权的地球系统模拟大型科学装置。
地球系统模拟装置又称地球模拟实验室，以地球系统观测数据为基础，利用描述地球系统物理、化学和生命过程及其演化的规律，对地球系统进行数值模拟。在超级计算机上执行。大规模科学计算。这使得科学家能够重建地球的过去，模拟地球的现在，并预测地球的未来。
新建成的地球模拟实验室整体性能可与国际先进水平相媲美。它是我国首个具有自主知识产权、以地球系统各圈数值模拟软件为核心、软硬件协同设计、规模宏大、综合技术水平高的项目。全球领先的专用地球系统数值模拟装置。它具有模拟地球表面各层的能力，可以更全面地考虑地球系统的各种过程。特别是在当前最紧迫的气候变化应对和碳中和领域，该系统可以全方位关注全球生态和生物地球化学过程及其与气候系统的相互作用，并在此基础上建立“生态-温度- “二氧化碳浓度与碳排放量”之间的明确关系，为温室气体核算和未来变暖预测提供了有力的模拟支撑，有助于实现碳峰值和碳中和愿景目标，也将为我国未来在该领域的谈判提供基础。气候环境问题，提升我国国际话语权。
8
“冰光纤”问世
它可以灵活弯曲并有效导光。
7月9日，权威学术期刊《科学》发表成果显示，浙江大学光电科学与工程学院童利民教授团队联合浙江大学交叉力学中心、加州大学研究人员，伯克利分校，在-50环境下，制备出高质量的冰单晶微纳光纤。它可以灵活弯曲，传输光损耗低，其性能与玻璃光纤相似。
光纤作为一种限制和自由传输光的功能结构，是目前光场操控最有效的工具之一。二氧化硅（硅砂）是常规玻璃光纤的主要成分，是地壳中含量最丰富的物质之一。但事实上，在地球和许多地外天体上，比石英砂更常见的物质是冰或液态水。因此，利用冰制备光纤具有广阔的应用前景。
在这项研究中，童利民团队构建了自己的生长装置。他们在大量实验的基础上，改进了现有的电场诱导制备冰晶的方法。在低温高压电场中，辅以一定的湿度条件，利用静电促使水分子向电场方向运动，改变其无序运动状态，从而诱导单晶生长。最终在-50环境下成功制备出直径800纳米至10微米的冰单晶微纳光纤。而且，团队还利用新发明的低温微纳操控与转移技术，在-150环境下，冰微纳纤维实现了10.9%的弹性应变，接近理论弹性冰的极限。
佟利民认为，这项研究成果将拓展人们对冰认识的边界，启发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理等方面的研究，以及发展微光光纤。适合特殊环境的纳米级冰。基础技术。
9
“甩掉”光合淀粉
节省资源的同时提高生产效率
9月23日，中国科学院公布重大成果。该院天津工业生物技术研究所的研究人员提出了一种不依赖植物光合作用的破坏性淀粉制备方法。它利用电解产生的二氧化碳和氢气为原料，成功生产淀粉。这是世界上首次实现二氧化碳排放。淀粉的从头合成使得淀粉生产从传统的农业种植模式转变为工业化作坊生产模式成为可能。相关研究成果于9月24日在线发表于《科学》期刊上。
淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳合成。在玉米等农作物中，将二氧化碳转化为淀粉涉及60多个代谢反应步骤和复杂的生理调节。太阳能的理论利用效率不超过2%。农作物的种植需要几个月的时间，并使用大量的土地、淡水、肥料和其他资源。
为了提高生产效率，中国科学院天津工业生物研究所的研究人员从零开始设计了一种新的非自然二氧化碳固定和人工淀粉合成的11步主反应方法，实现了从二氧化碳到人工淀粉的全合成。首次在实验室中研究淀粉分子。该人工途径的淀粉合成率是玉米淀粉的8.5倍。并且在能源供应充足的情况下，按照目前的技术参数，1立方米生物反应器的理论淀粉年产量相当于我国5亩土地种植玉米的平均年产量。
10
证明凯勒几何的核心猜想
解决数学60多年来的“悬案”
11月初，中国科学技术大学几何物理中心主任陈秀雄教授与合作者程景瑞在偏微分方程和复几何领域取得里程碑式成果。他们求解了一个四阶完全非线性椭圆方程，并成功证明了强制猜想。和测地稳定猜想这两个国际数学界60多年来悬而未决的核心猜想，解决了凯勒流形上常标量曲率测度和卡拉比极值测度相关的几个著名问题。在国际知名期刊《美国数学会杂志》上发表论文两篇。
凯勒流形上常标量曲率测度的存在一直是过去60 年来几何学的核心问题之一。关于它的存在性，有著名的三个猜想：——稳定性猜想、强制猜想和测地稳定性猜想。经过许多著名数学家近20年的工作，必然猜想和测地稳定性猜想中的必要性已经完全清楚，但其充分性的证明以前被认为是遥不可及的。
求解一类四阶完全非线性椭圆方程的解可以证明常标量曲率测度的存在。陈秀雄和程景瑞的工作在K能量强制或测地稳定的假设下精确地证明了此类方程解的存在性。他们不仅找到了方程的解，而且建立了研究此类方程的系统方法，为探索未知的数学世界提供了新的工具。此外，他们还给出了圆对称凯勒流形上的稳定性猜想的证明，将圆对称凯勒曲面上的唐纳森经典定理推广到高维，并提出了一般稳定性猜想证明的可能解决方案。使得彻底解决一般稳定性猜想成为可能。
