“中國科學(xué)十大進展”遴選活動由科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心舉辦，截至2018年已舉辦13屆。研究進展由《中國基礎(chǔ)科學(xué)》《科技導(dǎo)報》《中國科學(xué)院院刊》《中國科學(xué)基金》和《科學(xué)通報》五家編輯部推薦，由兩院院士、“973”計劃顧問組和咨詢組專家、“973”計劃項目首席科學(xué)家、國家重點實驗室主任等專家學(xué)者經(jīng)過初選和終選兩輪投票選出。該項活動旨在加強對我國重大基礎(chǔ)研究進展的宣傳，激勵廣大科技工作者的科學(xué)熱情和奉獻精神，促進公眾更加理解、關(guān)心和支持科學(xué)，在全社會營造良好的科學(xué)氛圍。該項活動已成為我國基礎(chǔ)研究傳播工作的一個品牌，在科技界產(chǎn)生了良好反響。

1 實現(xiàn)星地千公里級量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)

“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是由我國完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，于 2016 年 8月16日發(fā)射升空，2017年 1月18日完成在軌測試，正式交付開展科學(xué)實驗。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和彭承志研究組聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組等，創(chuàng)新性地突破了包括天地雙向高精度光跟瞄、空間高亮度量子糾纏源、抗強度漲落誘騙態(tài)量子光源以及空間長壽命低噪聲單光子探測等多項國際領(lǐng)先的關(guān)鍵技術(shù)，利用“墨子號”在國際上率先實現(xiàn)了千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)（圖1），并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗；實現(xiàn)了千公里級星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，密鑰分發(fā)速率比地面同距離光纖量子通信水平提高了 20 個數(shù)量級，為構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的技術(shù)支撐，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 “墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)千公里級量子糾纏分發(fā)

相關(guān)研究進展分別發(fā)表在 2017年 6月16日Science（《科學(xué)》）和 2017年 9月7日 Nature（《自然》） 上。研究成果一經(jīng)發(fā)表，隨即引起了國際學(xué)術(shù)界和新聞媒體的廣泛關(guān)注，同時也得到了國際學(xué)術(shù)界的高度評價，入選了 Nature 雜志點評的和美國著名科學(xué)媒體Science News 評選的“2017年度重大科學(xué)事件”。“墨子號”首席科學(xué)家潘建偉教授也入選了 Nature 雜志評選的“2017年度改變世界的十大科學(xué)人物”，被稱為“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學(xué)家”。

2 將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物

流感、艾滋病和埃博拉出血熱等烈性傳染病時刻危害著人類的健康和社會穩(wěn)定，其幕后“黑手”是結(jié)構(gòu)和功能多樣且快速變異的病毒，而疫苗是預(yù)防病毒感染的有效手段。

北京大學(xué)藥學(xué)院周德敏和張禮和研究組以流感病毒為模型，在保留病毒完整結(jié)構(gòu)和感染力的情況下，僅突變病毒基因的一個三聯(lián)遺傳密碼為終止密碼，流感病毒就由致病性傳染源變?yōu)轭A(yù)防性疫苗，再突變多個三聯(lián)碼為終止密碼，病毒就變?yōu)橹委熜运幬铮▓D2）。此類疫苗的特點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徑，可以誘發(fā)人體產(chǎn)生強而廣的體液免疫、鼻腔黏膜免疫以及 T-細胞活化免疫應(yīng)答，但感染人體后復(fù)制能力缺失。這種復(fù)制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到驗證，達到廣譜、持久和高效的效果。該方法顛覆了傳統(tǒng)滅活/減毒疫苗的理念，前者需改變病毒抗原結(jié)構(gòu)去除其毒性，只能部分激發(fā)人體免疫力，所以需要多次接種；后者需要復(fù)雜的工藝處理方能保留病毒的完整結(jié)構(gòu)，但仍具有弱的復(fù)制能力和潛在的致病性，安全隱患大。該方法將是研發(fā)活病毒疫苗的一種通用方法，并可針對幾乎所有病毒。

相關(guān)研究進展發(fā)表在 2016 年12月2日Science 上。該研究進展是我國長期支持基礎(chǔ)研究、并鼓勵基礎(chǔ)研究進行臨床轉(zhuǎn)化的典型范例。Science 雜志評述該進展為病毒疫苗領(lǐng)域的革命性突破，Nature 雜志稱其為“馴服病毒的新方法”。

3 首次探測到雙粲重子

歐洲核子研究中心于 2017年 7月6日宣布，來自大型強子對撞機（LHC）上底夸克探測器（LHCb）國際合作組的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種被稱為雙粲重子的新粒子，該粒子帶有2 個單位電荷，質(zhì)量約3 621 兆電子伏特，幾乎是質(zhì)子質(zhì)量的4 倍。與質(zhì)子和中子類似，新發(fā)現(xiàn)的雙粲重子由3 個夸克組成，但其夸克組分不同：質(zhì)子由2 個上夸克和1 個下夸克組成，中子由2 個下夸克和1 個上夸克組成，而雙粲重子則由2 個較重的粲夸克和1 個上夸克組成（圖3）。理論預(yù)期雙粲重子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)迥異于之前發(fā)現(xiàn)的粒子，對其性質(zhì)的研究將有助于人類深入理解物質(zhì)的構(gòu)成和強相互作用力的本質(zhì)。

圖2 含終止密碼的復(fù)制缺陷型活病毒疫苗制備

圖3 由2 個粲夸克和1 上夸克組成的雙粲重子

相關(guān)研究進展發(fā)表在 2017年 9月11日 Physical Review Letters（《物理評論快報》）上。底夸克探測器國際合作組由來自16 個國家的超過1 000 名科學(xué)家組成，清華大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)和武漢大學(xué)是合作組的成員單位。由清華大學(xué)高原寧領(lǐng)導(dǎo)的中國研究團隊通過與國內(nèi)理論家密切合作，主導(dǎo)了此次雙粲重子發(fā)現(xiàn)的物理分析工作，對該粒子的發(fā)現(xiàn)做出了關(guān)鍵性貢獻。歐洲核子研究中心對雙粲重子的發(fā)現(xiàn)作了專門的新聞發(fā)布，受到全球媒體的競相報道。審稿人評價：“該論文給出了期待已久的重要結(jié)果——首次觀測到雙粲重子”。美國《物理》雜志同時以“倍加迷人的粒子”為題進行了專論報道，認為該發(fā)現(xiàn)“為科研人員提供了檢驗量子色動力學(xué)的獨特體系”。

4 實驗發(fā)現(xiàn)三重簡并費米子

組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子?，F(xiàn)有的理論認為宇宙中只可能存在3 種類型的費米子，即狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子，其中狄拉克費米子具有四重簡并，外爾費米子和馬約拉納費米子具有兩重簡并，而三重簡并的費米子在宇宙中是不存在的（圖4）。這3 種類型的費米子也能夠以準粒子的形式存在于固體材料中，其中狄拉克費米子和外爾費米子的存在已在實驗上得到確證，馬約拉納費米子也得到一些實驗的支持。這些固體材料被通俗地稱為“固體宇宙”，與真實的宇宙相對應(yīng)。與時空連續(xù)的宇宙空間不同，“固體宇宙”只滿足不連續(xù)的分立空間對稱性，這就可能出現(xiàn)真實宇宙中不存在的新型費米子。在“固體宇宙”中尋找新型費米子是近年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題，也是該領(lǐng)域國際競爭的焦點之一。

中科院物理研究所丁洪、錢天和石友國研究組與合作者，在上海光源“夢之線”和瑞士光源上利用角分辨光電子能譜實驗技術(shù)，在磷化鉬晶體中觀測到一類具有三重簡并的費米子。這是首次實驗發(fā)現(xiàn)超出傳統(tǒng)的狄拉克/外爾/馬約拉納類型的費米子。他們的實驗發(fā)現(xiàn)開辟了探索凝聚態(tài)體系中非傳統(tǒng)費米子的途徑，對促進人們認識量子物態(tài)、發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象、開發(fā)新型電子器件具有重要的意義。相關(guān)研究進展發(fā)表在 2017年 6月29日Nature 上。

5 實現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲

氫能被譽為下一代二次清潔能源，但氫氣的高效制備以及安全存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。由于甲醇可以安全運輸，將氫氣存儲于液體甲醇中，通過水和甲醇低溫液相重整反應(yīng)原位產(chǎn)氫，在釋放出甲醇中存儲的氫氣的同時也活化等摩爾的水而釋放出額外的氫氣，從而成為氫能利用的可行途徑。這種過程裝置簡單、耗能低，容易和車載或固定聚合物電解質(zhì)膜燃料電池整合，而釋放出的氫氣占重比可達18.8%。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁研究組與中科院山西煤化研究所溫曉東以及大連理工大學(xué)石川等合作的研究表明，將鉑原子級分散在面心立方結(jié)構(gòu)的碳化鉬（α-MoC）上制備的催化劑可用于甲醇的液相重整，在較低溫度下（150℃—190℃）能夠表現(xiàn)出很高的產(chǎn)氫活性，可達每摩爾鉑每小時產(chǎn)氫 18046 摩爾（圖5）。這種優(yōu)越的制氫能力遠大于以前報道的低溫甲醇重整催化劑（高出近兩個數(shù)量級），其關(guān)鍵在于 α-MoC突出的解離水的能力以及鉑和 α-MoC 協(xié)同活化并重整甲醇的能力。同時，該研究團隊在水煤氣變換產(chǎn)氫過程（CO+H2O=CO2+H2）中也突破了低溫條件下高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率不能兼得的難題，發(fā)展了基于 Au/α-MoC的新一代催化過程。

相關(guān)研究進展分別發(fā)表在 2017年 4月6日Nature和 2017年 7月28日 Science 上。上述研究進展被多家科學(xué)媒體報道并高度評價，美國化學(xué)會 C&E News 雜志和英國皇家化學(xué)會 Chemistry World 雜志分別以“氫能源：制備氫燃料新過程”和“新型催化劑點亮氫能汽車未來”為題進行了亮點報道，認為“隨著此高活性催化體系的成功，把氫氣存儲于甲醇并在需要時重整釋放的概念可能得到實際應(yīng)用，這是氫能儲存和輸運體系的一個重大突破”。

6 研發(fā)出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼

超高強鋼在航空航天、交通運輸、先進核能以及國防裝備等國民經(jīng)濟重要領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用，而且也是未來輕型化結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全防護的關(guān)鍵材料。然而幾十年來高性能超高強鋼的研究始終基于傳統(tǒng)的半共格析出產(chǎn)生強共格畸變的學(xué)術(shù)思路，存在著析出相數(shù)量有限，析出尺寸不夠合理且分布不均勻的固有缺陷，這既降低了材料的塑韌性又嚴重影響服役安全性。此外，昂貴的制備成本也限制了其實際應(yīng)用，成為困擾高端鋼鐵工業(yè)發(fā)展的難題。

圖5 基于Pt/α-MoC催化劑實現(xiàn)水和甲醇低溫液相重整反應(yīng)產(chǎn)氫

圖6 析出相結(jié)構(gòu)及其高共格特性

北京科技大學(xué)呂昭平研究組與合作者針對低成本高性能的目標，創(chuàng)新性提出利用高密度共格納米析出相來強韌化超高強合金的設(shè)計思想，采用輕質(zhì)且便宜的鋁元素替代馬氏體時效鋼中昂貴的鈷和鈦等元素，大幅降低成本的同時通過簡單的熱處理促進極高密度、全共格納米相析出，研發(fā)出共格納米析出強化的新一代超高強鋼（圖 6）。他們通過調(diào)控晶格錯配度使得析出相在產(chǎn)生極低共格畸變的同時又具有高的有序抗力，這極大增強了合金的強度但不犧牲其延展性能。所涉及的顛覆性合金設(shè)計思想也可應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)。

相關(guān)研究進展發(fā)表在 2017年4 月27日 Nature 上。Nature Materials（《自然·材料》）發(fā)表專門評述文章指出，該研究“以完美的超強馬氏體鋼設(shè)計思想，簡化的合金元素及析出相強化本質(zhì)，為研發(fā)具有優(yōu)異的強度、塑性和成本相結(jié)合的結(jié)構(gòu)材料提供了新的途徑”。

7 利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態(tài)

實現(xiàn)多粒子糾纏是量子物理實驗研究的一大追求。清華大學(xué)物理系尤力和鄭盟錕研究組，通過調(diào)控銣 -87原子玻色-愛因斯坦凝聚體中的自旋混合過程，使其連續(xù)發(fā)生兩次量子相變，實現(xiàn)了包含約 11 000 個原子的雙數(shù)態(tài)的確定性制備（圖 7）。通過直接觀測該糾纏態(tài)，他們表征其不同內(nèi)態(tài)間原子數(shù)的差值的漲落低于經(jīng)典極限 10.7±0.6 分貝，其集體自旋的歸一化長度為近似完美的 0.99±0.01。這兩個指標反映該多體糾纏態(tài)可以提供超越標準量子極限約6 分貝的相位測量靈敏度，以及至少 910 個的糾纏原子數(shù)——創(chuàng)造了目前能確定性制備的量子糾纏粒子數(shù)目的世界紀錄。利用量子相變確定性制備多體糾纏態(tài)是一種嶄新的嘗試。由于連續(xù)量子相變點處有限系統(tǒng)的能隙很小，系統(tǒng)穿過相變點時會產(chǎn)生較大的激發(fā)。他們的研究顯示即使這種激發(fā)會發(fā)生，量子相變點兩邊迥異的多體能級結(jié)構(gòu)依然能夠幫助制備出高品質(zhì)的多粒子糾纏態(tài)。

這一全新的理解和糾纏態(tài)制備方法為未來其他多粒子糾纏態(tài)的制備提供了一種思路。另外，雙數(shù)態(tài)的確定性制備為超越標準量子極限的測量科學(xué)與技術(shù)的實用化發(fā)展，比如實現(xiàn)海森堡極限精度的原子鐘和原子干涉儀等提供了一種可能。相關(guān)研究進展發(fā)表在 2017年 2月10日Science 上。

8 中國發(fā)現(xiàn)新型古人類化石

長期以來，古人類學(xué)界對在中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的中更新世晚期至晚更新世早期過渡階段古人類成員的演化地位一直存在爭議。爭論的焦點是：他們是由本地的古人類連續(xù)進化而來？還是外來人群的成功入侵者？最近在河南靈井遺址發(fā)現(xiàn)的兩件距今 10.5萬—12.5 萬年前的古人類——許昌人的頭骨化石，為探討這一階段中國古人類的演化模式提供了重要信息（圖 8）。

圖 7 基于量子相變驅(qū)動的糾纏態(tài)生成

許昌人一號（右）和許昌人二號（左）頭骨化石

圖 8 許昌人在現(xiàn)代人進化中的位置

中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所吳秀杰研究組與美國華盛頓大學(xué) Erik Trinkaus 等合作的研究顯示，許昌人顱骨既具有東亞古人類低矮的腦穹隆、扁平的顱中矢狀面、最大顱寬的位置靠下的古老特征，同時又兼具歐亞大陸西部尼安德特人一樣的枕骨（枕圓枕上凹/項部形態(tài)）和內(nèi)耳迷路（半規(guī)管）形態(tài)，呈現(xiàn)出演化上的區(qū)域連續(xù)性和區(qū)域間種群交流的動態(tài)變化。此外，許昌人超大的腦量（1800 cc）和纖細化的腦顱結(jié)構(gòu)，又體現(xiàn)出中更新世人類生物學(xué)特征演化的一般趨勢。目前還無法將其歸入任何已知的古人類成員之中，許昌人可能代表一種新型的古老型人類。這項研究填補了古老型人類向早期現(xiàn)代人過渡階段中國古人類演化上的空白，表明晚更新世早期中國境內(nèi)可能并存有多種古人類成員，不同群體之間有雜交或者基因交流。許昌人化石為中國古人類演化的地區(qū)連續(xù)性以及與歐洲古人類之間的交流提供了一定程度的支持。

相關(guān)研究進展發(fā)表在 2017年3月3日Science 上。該研究發(fā)現(xiàn)引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和媒體的極大關(guān)注，Science、Current Biology 等國際頂端學(xué)術(shù)期刊都為此發(fā)表專題評論，認為這項研究填補了古老型人類向早期現(xiàn)代人過渡階段東亞地區(qū)古人類演化上的空白，是中國學(xué)者在古人類研究領(lǐng)域取得的一項重大突破。

9 酵母長染色體的精準定制合成

基因組設(shè)計合成是對基因組進行全新設(shè)計和從頭構(gòu)建，能夠按需塑造生命，開啟從非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化的大門，推動生命科學(xué)研究由理解生命向創(chuàng)造生命延伸。然而，基因組合成面臨長染色體難以精準合成、合成染色體導(dǎo)致細胞失活等難題。

天津大學(xué)元英進、清華大學(xué)戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團隊與合作者利用多級模塊化和標準化人工基因組合成方法，基于一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核長染色體的定制合成（圖 9），建立了基于多靶點片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復(fù)技術(shù)和 DNA 大片段重復(fù)的修復(fù)技術(shù)，成功設(shè)計構(gòu)建了4 條釀酒酵母長染色體，實現(xiàn)了真核長染色體合成序列與設(shè)計序列的完全匹配；原創(chuàng)性地建立了基因組缺陷靶點快速定位方法，提供了表型和基因型關(guān)聯(lián)分析的新策略，通過缺陷靶點的定位與排除，解決了合成基因組導(dǎo)致細胞失活的難題；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了人工環(huán)形染色體，為當(dāng)前無法治療的染色體成環(huán)疾病發(fā)生機理和潛在治療手段建立了研究模型。該研究為深化理解生命進化、基因組與功能關(guān)系等基礎(chǔ)科學(xué)問題提供了新的思路。

圖 9 釀酒酵母長染色體的精準定制合成

相關(guān)研究進展以4 篇論文形式發(fā)表在 2017年 3月10日Science 上。研究成果引起國內(nèi)外專家和媒體的極大關(guān)注。Science 同期發(fā)表專文評論，Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics、Molecular Cell等多個頂級期刊均發(fā)表專文或亮點介紹，高度評價本工作，認為這是第一個全合成真核生物基因組的重要里程碑。

10 研制出可實現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)

北京大學(xué)膜生物學(xué)國家重點實驗室程和平和陳良怡研究組與北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張云峰和王愛民等合作，運用微集成、微光學(xué)、超快光纖激光和半導(dǎo)體光電子學(xué)等技術(shù)，在高時空分辨在體成像系統(tǒng)研制方面取得突破性技術(shù)革新，成功研制出 2.2 克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡，在國際上首次記錄了懸尾、跳臺、社交等自然行為條件下，小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的高速高分辨圖像（圖 10）。

此項突破性技術(shù)將開拓新的研究范式，在動物自然行為條件下，實現(xiàn)對神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)信息處理的長時程觀察，這樣不僅可以“看得見”大腦學(xué)習(xí)、記憶、決策、思維的過程，還將為可視化研究自閉癥、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經(jīng)機制發(fā)揮重要作用。

相關(guān)研究進展發(fā)表在 2017年 7月 Nature Methods（《自然·方法學(xué)》）上。該成像系統(tǒng)被 2014 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主 Edvard I. Moser 稱之為研究大腦的空間定位神經(jīng)系統(tǒng)的革命性新工具。

圖 10 可高時空分辨記錄神經(jīng)元的突出活動

更正 2018年第2期160頁作者徐明崗單位“中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶植物研究所”更正為“中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所”。