2017年中国科学十大进展在京发布

“中国十大科技进步”评选由科技部高技术研究发展中心组织，截至2018年已举办13届。研究进展由《中国基础科学》、《科学技术指南》、《中国科学院学报》、《中国科学基金会》、《科学通报》编辑部推荐。两院院士、973计划咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者通过两轮初选和最终选举产生。这次活动的目的是加强我国重大基础研究进展的宣传，激发广大科技工作者的科学热情和奉献精神，促进公众理解、关心和支持科学，在全社会营造良好的科学氛围。这项活动已成为我国基础研究交流的一个品牌，并在科技界产生了良好的反响。

1.实现从恒星到地球1000公里范围内的量子纠缠、密钥分发和隐形传送

墨子卫星实现千公里量子纠缠分布

墨子量子科学实验卫星是世界上第一颗完全由中国自主研发的空间量子科学实验卫星，于2016年8月16日发射，2017年1月18日完成在轨测试，并正式交付进行科学实验。

中国科学技术大学潘剑伟和彭承志研究团队与中国科学院上海技术与物理研究所王建宇研究团队一起，创新性地突破了一批国际领先的关键技术，包括双向高精度天地光学跟踪指向、空间高亮度量子纠缠源、抗强度起伏诱饵态量子光源和空间长寿命低噪声单光子探测。墨子是世界上第一个实现数千公里恒星双向量子纠缠分布的人。在此基础上，实现了空间尺度严格满足“爱因斯坦局域性条件”的量子力学非局域性检验。我们已经实现了数千公里卫星和卫星的量子密钥分发和传送。密钥分发速率比距离地面相同距离的光纤量子通信的水平高20个数量级。它为构建世界范围的集成量子保密通信网络提供了可靠的技术支持，为中国未来继续引领世界量子通信技术的发展和空间尺度基础量子物理问题检测的前沿研究奠定了坚实的科技基础。

相关研究进展分别于2017年6月16日发表在《科学》杂志上

流感、艾滋病、埃博拉出血热等严重传染病一直威胁着人类健康和社会稳定。它们背后的“黑手”是一种具有各种结构和功能以及快速突变的病毒。疫苗是预防病毒感染的有效手段。

周德民、张莉和北京大学药学院的研究团队以流感病毒为模型。在保持病毒的完整结构和感染性的条件下，只使用突变病毒基因的一个三联体遗传密码作为终止密码。流感病毒从病原性感染源转变为预防性疫苗，然后突变成多个三联体作为终止代码，该病毒成为一种治疗药物。

这种疫苗的特点是保留了野生型病毒的所有抗原、感染活性和相同的感染途径，能诱导人体产生强而广泛的体液免疫、鼻粘膜免疫和T细胞激活免疫反应，但感染人体后复制能力不足。这种复制缺陷型活疫苗已经在小鼠、雪貂和豚鼠模型中得到验证，以实现广谱、持久和有效的效果。这种方法颠覆了灭活/减毒疫苗的传统观念。前者需要改变病毒抗原的结构以消除其毒性，而毒性只能部分刺激人体免疫，因此需要多次接种。后者需要复杂的技术处理来保持病毒的完整结构，但仍具有较弱的复制能力和潜在的致病性，具有很大的安全隐患。该方法将成为开发活病毒疫苗的通用方法，并可应用于几乎所有病毒。

相关研究进展于2016年12月2日发表在《科学》杂志上

由两个魅力夸克和一个上夸克组成的双魅力重子

欧洲粒子物理研究所于2017年7月6日宣布，来自大型强子对撞机(LHC)上夸克和下夸克探测器(LHCb)国际合作小组的科学家们发现了一种新粒子，称为双魅力粒子，它有两个单位电荷，质量为3621兆电子伏，几乎是质子质量的四倍。与质子和中子相似，新发现的双夸克偶素由三个夸克组成，但它的夸克组成不同: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，而双夸克偶素由两个较重的夸克和一个上夸克组成。该理论预言，双charmonium的内部结构不同于先前发现的粒子，对其性质的研究将有助于人类深入理解物质的组成和强相互作用力的本质。

相关研究进展于2017年9月11日发表在《物理评论快报》上

三重简并费米子(右)和四重简并狄拉克费米子(左)以及双简并外费米子(中)

构成宇宙的基本粒子可以分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中只有三种类型的费米子，即狄拉克费米子、威尔费米子和梅昂纳费米子。其中，狄拉克费米子具有四重简并，威尔费米子和马荣纳费米子具有双重简并，而三重简并费米子在宇宙中并不存在。这三种类型的费米子也可以以准粒子的形式存在于固体材料中。狄拉克费米子和瓦伊尔费米子的存在已经被实验证实，而梅昂纳费米子也得到一些实验的支持。这些固体物质通常被称为“固体宇宙”，与真实宇宙相对应。

与时空连续的宇宙不同，“固体宇宙”只满足不连续的离散空间对称性，这可能导致在真实宇宙中不存在的新费米子。在“固体宇宙”中发现新的费米子是近年来凝聚态物理中具有挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。

中科院物理所的、钱天和石的研究组和合作者在上海光源和瑞士光源的“梦想线”上用角分辨光电子能谱实验技术观察到磷化钼晶体中的一类三重简并费米子。这是第一次发现超越传统狄拉克/弗/马略纳类型的费米子的实验。他们的实验发现为探索凝聚态物质系统中的非传统费米子开辟了一条途径，这对促进人们对量子态的理解、发现新的物理现象和开发新的电子器件具有重要意义。

相关研究进展于2017年6月29日发表在《自然》杂志上

铂/α-MoC催化剂上水和甲醇低温液相重整制氢

氢能被称为下一代二次清洁能源，但氢的高效制备和安全储存运输一直是阻碍氢能大规模应用的瓶颈。由于甲醇可以安全运输，氢气储存在液态甲醇中，通过水和甲醇的低温液相重整反应原位生成氢气，释放储存在甲醇中的氢气，活化等摩尔水释放额外的氢气，成为一种可行的氢能利用方式。该工艺装置简单，能耗低，易于与车载或固定式聚合物电解质膜燃料电池集成，释放的氢气占重量的18.8%。

北京大学化学与分子工程学院马丁研究组、中国科学院山西煤化学研究所的温晓东和大连理工大学的石川进行的研究表明，通过将铂单原子分散在面心立方碳化钼(α-MoC)上制备的催化剂可用于甲醇的液相重整，并可在较低温度(150-190摄氏度)下显示出高的制氢活性，每小时每摩尔铂高达18，046摩尔氢。

这种优越的制氢能力远远高于先前报道的低温甲醇重整催化剂(高出近两个数量级)，关键在于α-MoC突出的水分解能力以及铂和α-MoC协同活化和重整甲醇的能力。同时，该研究团队还突破了水煤气变换制氢过程(一氧化碳+H2O =二氧化碳+H2)在低温下无法实现高反应转化率和高反应速率的问题，开发了基于金/α-MoC的新一代催化工艺。

相关研究进展分别于2017年4月6日发表在《自然》杂志上。

沉淀相结构及其高相干特性

超高强度钢在航空航天、交通运输、先进核能和国防装备等国民经济的重要领域发挥着支撑作用，也是未来轻型结构设计和安全防护的关键材料。

然而，几十年来对高性能超高强度钢的研究一直是基于半相干沉淀产生强相干畸变的传统学术思想。析出相数量有限、尺寸不合理、分布不均匀等固有缺陷，不仅降低了材料的塑性韧性，而且严重影响使用安全。此外，制备成本高也限制了其实际应用，成为高端钢铁工业发展的难题。

针对低成本、高性能的目标，吕兆平的研究团队和北京科技大学的合作者创新性地提出了利用高密度共晶纳米相沉淀强化增韧超高强度合金的设计思想。用轻质廉价的铝元素代替马氏体时效钢中的钴、钛等昂贵元素，大大降低了成本，并通过简单的热处理促进了极高密度、全共晶纳米相的析出，从而开发出新一代共晶纳米相强化的超高强度钢。通过调整晶格失配度，它们使析出相产生极低的共晶格畸变，并具有高的有序电阻，这大大提高了合金的强度而不牺牲其延展性。所涉及的颠覆性合金设计理念也可应用于其他结构材料的研发。

相关研究进展于2017年4月27日发表在《自然》杂志上

量子相变驱动的纠缠态的产生

实现多粒子纠缠是量子物理实验研究的一大追求。清华大学物理系的游莉和郑孟坤的研究小组通过调整铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体的自旋混合过程，使其经历两个连续的量子相变，实现了约11000个原子的偶数态的确定性制备。通过对纠缠态的直接观察，他们发现不同内部态之间原子序数差的涨落低于10.7±0.6分贝的经典极限，集体自旋的归一化长度约为0.99±0.01。这两个指标反映了多体纠缠态可以提供超过标准量子极限约6分贝的相位测量灵敏度和至少910个纠缠原子——创造了目前可以确定制备的量子纠缠粒子数量的世界纪录。利用量子相变的确定性制备多粒子纠缠态是一种全新的尝试。由于有限系统在连续量子相变点的能隙很小，系统在通过相变点时会产生较大的激发。他们的研究表明，即使发生这种激发，量子相变点两侧不同的多能级结构仍然有助于制备高质量的多粒子纠缠态。

这种对纠缠态的新认识和制备方法，为以后制备其他多粒子纠缠态提供了新的思路。此外，偶数态的确定性制备为超越标准量子极限的测量科学和技术的实际发展提供了可能性，例如实现海森堡极限精度的原子钟和原子干涉仪。

相关研究进展于2017年2月10日发表在《科学》杂志上

许昌猿人1(右)和许昌猿人2(左)的头骨化石

长期以来，古人类学家对中国发现的中更新世晚期至晚更新世早期过渡时期的古人类成员的进化地位一直存在争议。争论的焦点是:它们是从当地古代人类不断进化而来的吗？或者是来自外部的成功入侵者？10.5万至12.5万年前的两个古人类——许昌仁的头骨化石，最近在河南荆灵遗址发现，为探讨现阶段中国古代人类的进化模式提供了重要信息。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所吴课题组和美国华盛顿大学埃里克·特林克斯的研究表明，许昌头骨不仅具有古代东亚人的低平脑穹、平中颅矢状面和最大颅宽位置较低的古老特征，而且在欧亚大陆西部还具有尼安德特人样枕骨(上枕凹/项部形态)和内耳迷路(半规管)形态，表现出区域演化的连续性和种群交流的动态变化此外，许昌人超大的脑体积(1800 cc)和细长的脑结构也反映了中更新世人类生物特征演变的总趋势。目前，它还不能归类为任何已知的古代人类成员。许昌人可能代表了一种新的古代人类。

这一研究填补了中国古代从古人类向现代早期人类过渡时期的进化空白，表明在晚更新世早期，中国可能有多种古代人类成员共存，不同群体之间可能存在杂交或基因交换。许昌化石为中国古代进化的区域连续性和与古代欧洲人的交流提供了一些支持。

相关研究进展于2017年3月3日发表在《科学》杂志上

许昌人在现代人类进化中的地位

9.酵母长染色体的精确定制合成

酿酒酵母长染色体的精确定制合成

基因组设计合成是一种全新的基因组设计和重建。它可以根据需要塑造生命，打开从无生命物质到有生命物质的转化之门，促进生命科学研究从理解生命到创造生命的延伸。然而，基因组合成面临困难，例如长染色体的精确合成困难和由合成染色体引起的细胞失活。

天津大学的袁、清华大学的、深圳华大基因的杨等团队和合作伙伴采用多级模块化、标准化的人工基因组合成方法，基于一步大片段组装技术和并行染色体合成策略，实现了从小分子核苷酸到活真核长染色体的定制合成，建立了基于多靶片段共转化和DNA大片段重复修复技术的基因组精确修复技术，成功设计并构建了4条酿酒酵母长染色体，实现了真核长染色体合成序列与设计序列的完全匹配。建立了一种快速定位基因组缺陷靶的新方法，为表型和基因型相关性分析提供了一种新策略。通过定位和消除缺陷靶，解决了由合成基因组引起的细胞失活问题。在此基础上，构建了人工环状染色体，为目前尚无法治疗的染色体环状疾病的发病机制和潜在治疗方法建立了研究模型。这项研究为加深对生命进化、基因组和功能之间关系等基本科学问题的理解提供了新的思路。

相关研究进展于2017年3月10日以4篇论文的形式发表在《科学》杂志上

质量仅为2.2克的可佩戴双光子荧光显微镜

北京大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室的程和平和陈与电子工程与计算机科学学院的和合作，在利用微集成、微光学、超快光纤激光器和半导体光电子学等技术开发高时空分辨率体内成像系统方面取得了突破性的技术创新。他们已经成功开发了一种2.2g小型化可穿戴双光子荧光显微镜。他们在世界上第一次记录了老鼠在自然行为条件下的大脑神经元和突触的高速和高分辨率图像，比如尾巴悬挂、平台和社交互动。

这一突破性技术将开辟一个新的研究范式，实现对突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长期观察。在动物的自然行为条件下。这样，大脑的学习、记忆、决策和思维过程不仅是“可见的”，而且在自闭症、阿尔茨海默病和癫痫等脑部疾病的神经机制的视觉研究中也将发挥重要作用。

相关研究进展于2017年7月发表在《自然方法论》上。

神经元的显著活动可以用高时空分辨率来记录。