國家自然科學(xué)基金委員會(huì)3月27日發(fā)布2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”,。本年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”主要分布在數(shù)理天文信息,、化學(xué)材料能源、地球環(huán)境和生命醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域,。
此項(xiàng)年度評(píng)選活動(dòng)自2005年啟動(dòng)以來,，已成功舉辦20屆。2024年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”是由相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜蚁葟?00多項(xiàng)科學(xué)研究成果中遴選出31項(xiàng)成果,，再由包括440余位兩院院士在內(nèi)的2700余位專家學(xué)者實(shí)名投票,，最終確定10項(xiàng)重大科學(xué)研究成果。
1.嫦娥六號(hào)返回樣品揭示月背28億年前火山活動(dòng)
月球正面和背面火山巖的分布差異極大,，是月球二分性的重要體現(xiàn),。月球二分性是指月球正面和背面在形貌、成分,、月殼厚度,、巖漿活動(dòng)多少等方面存在的顯著差異。嫦娥六號(hào)任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)月球背面采樣返回,，為人類研究月球背面火山活動(dòng)提供了獨(dú)有的素材,。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李秋立、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛和中國科學(xué)院國家天文臺(tái)李春來等報(bào)道了首批月球背面樣品的研究成果,。研究表明嫦娥六號(hào)月壤樣品與位于月球正面的阿波羅任務(wù)和嫦娥五號(hào)任務(wù)返回樣品存在巨大差異：嫦娥六號(hào)月壤密度明顯偏低,，粒度呈雙峰式分布，鋁和鈣含量高,，包含玄武巖,、角礫巖、粘結(jié)巖,、玻璃和淺色巖屑等,，月壤的成分與當(dāng)?shù)匦鋷r成分存在較大差異,，顯示月壤來源的復(fù)雜性,；當(dāng)?shù)匦鋷r屬低鈦低鋁類型，Sr-Nd-Pb同位素顯示其來自極度虧損的月幔源區(qū),，形成于約28億年前的火山噴發(fā),。
此外，發(fā)現(xiàn)一期42億年前的玄武質(zhì)火山活動(dòng)產(chǎn)物,，指示月球背面南極-艾特肯盆地存在長期的火山活動(dòng)歷史,。28億年玄武巖的同位素年齡彌補(bǔ)了撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年曲線在20億~32億年間的數(shù)據(jù)空白。
嫦娥六號(hào)樣品揭示了月球背面樣品的獨(dú)特性,，填補(bǔ)了月球背面樣品研究的歷史空白,，為研究月球背面火山活動(dòng)、撞擊歷史和月球背面與正面地質(zhì)差異提供了直接證據(jù)，開啟了月球研究的新階段,。
2.實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光計(jì)算芯片的智能推理與訓(xùn)練
以大模型為代表的人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展,，對(duì)算力的需求呈現(xiàn)遠(yuǎn)超摩爾定律增長的趨勢(shì)，新興智能計(jì)算范式的發(fā)展迫在眉睫,。光具備傳播速度快,、表征維度多、計(jì)算功耗低等物理特性,。智能光計(jì)算用光子替代電子作為計(jì)算載體,，以光的受控傳播實(shí)現(xiàn)計(jì)算，有望對(duì)當(dāng)前計(jì)算范式帶來顛覆性的突破,，成為新一代人工智能發(fā)展的國際前沿,。針對(duì)大規(guī)模可重構(gòu)智能光計(jì)算難題,，清華大學(xué)方璐,、戴瓊海等摒棄傳統(tǒng)電子深度計(jì)算的范式，首創(chuàng)分布式廣度光計(jì)算架構(gòu),，建立干涉-衍射聯(lián)合傳播模型,，研制國際首款大規(guī)模通用智能光計(jì)算芯片“太極”，實(shí)現(xiàn)每焦耳160萬億次運(yùn)算的系統(tǒng)級(jí)能量效率,，首次賦能光計(jì)算實(shí)現(xiàn)自然場景千類對(duì)象識(shí)別,、跨模態(tài)內(nèi)容生成等通用人工智能任務(wù)。
訓(xùn)練和推理是AI大模型核心能力的兩大基石,，缺一不可,。針對(duì)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練難題，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了光子傳播對(duì)稱性模型,，摒棄電訓(xùn)練反向傳播范式,，首創(chuàng)全前向智能光計(jì)算訓(xùn)練架構(gòu)，擺脫了對(duì)GPU離線訓(xùn)練的依賴,，支撐智能系統(tǒng)的高效精準(zhǔn)光訓(xùn)練,。
太極系列芯片實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效推理與訓(xùn)練，相較于國際先進(jìn)GPU（依賴7納米先進(jìn)光刻制程）,，系統(tǒng)級(jí)能效提升了2個(gè)數(shù)量級(jí),，且僅需百納米級(jí)制程工藝。
有望解決電子芯片痛點(diǎn)問題,，以全新的計(jì)算范式破除人工智能算力困局,，以更低的資源消耗和更小的邊際成本，為人工智能大模型等高速高能效計(jì)算探索新路徑,。
3.闡明單胺類神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及相關(guān)精神疾病藥物調(diào)控機(jī)理
大腦神經(jīng)元之間的信息傳遞是構(gòu)成認(rèn)知與情感功能的基礎(chǔ),。神經(jīng)遞質(zhì)“釋放-回收-再填充”的循環(huán)過程是神經(jīng)信號(hào)傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。這一過程的紊亂與多種精神疾病的發(fā)生密切相關(guān)，如抑郁癥,、注意缺陷多動(dòng)障礙等,。神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體是一類專門負(fù)責(zé)神經(jīng)遞質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)摹翱爝f員”，主要介導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)的循環(huán)過程,，確保了神經(jīng)信號(hào)的精準(zhǔn)傳遞,。因此調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性成為治療精神疾病的核心策略。然而,，相關(guān)靶向藥物存在副作用大和藥物濫用等問題,；人們對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體工作機(jī)制的理解也尚不深入，因此缺乏精準(zhǔn)設(shè)計(jì)精神疾病藥物的基礎(chǔ),。
中國科學(xué)院生物物理研究所趙巖團(tuán)隊(duì),，聯(lián)合中國科學(xué)院物理研究所姜道華等，利用冷凍電鏡技術(shù)揭開了多種關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體的神秘面紗,，系統(tǒng)闡明了它們識(shí)別并轉(zhuǎn)運(yùn)神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺,、去甲腎上腺素、甘氨酸和囊泡單胺的過程,。此外,，該研究揭示了神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體與多種精神疾病藥物的精準(zhǔn)作用機(jī)制，展現(xiàn)了不同神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體多樣化,、特異性的藥物結(jié)合口袋,，并發(fā)現(xiàn)了新型低成癮性藥物結(jié)合位點(diǎn)，為設(shè)計(jì)副作用小,、成癮性低的精神疾病治療藥物提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),。
該進(jìn)展不僅深化了對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)大腦信息傳遞的理解，也為開發(fā)更高效,、更安全的精神疾病藥物奠定了基礎(chǔ),，具有重要的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值。
4.實(shí)現(xiàn)原子級(jí)特征尺度與可重構(gòu)光頻相控陣的納米激光器
晶體管依托電子,，激光器依托光子,。電子和光子作為兩類基本粒子，均可用于承載能量與信息,。電力的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了工業(yè)革命和現(xiàn)代化進(jìn)程,，極大提升了社會(huì)生產(chǎn)力,；而作為信息載體的電子芯片,，則催生了信息技術(shù)革命，引領(lǐng)人類邁入數(shù)字化時(shí)代,。
激光技術(shù)在兩個(gè)方向上不斷拓展：一方面,，向超高功率發(fā)展,，例如用于可控核聚變的中國神光激光裝置。正如錢學(xué)森的形象描述,，這一技術(shù)相當(dāng)于在地球上創(chuàng)造一個(gè)“小太陽”,，未來有望提供穩(wěn)定而持久的清潔能源。另一方面,，激光器的微型化趨勢(shì)日益加速,。正如晶體管的微縮推動(dòng)了電子芯片的發(fā)展，微型激光器的進(jìn)步極大促進(jìn)了光子技術(shù)的革新,。
在這一背景下,，北京大學(xué)馬仁敏等提出奇點(diǎn)色散方程，建立了介電體系突破衍射極限的理論框架,，并成功研制出模式體積最小的激光器——奇點(diǎn)介電納米激光器,，首次將激光器的特征尺度推進(jìn)至原子級(jí)別。此外,，他們還基于納米激光器構(gòu)建可重構(gòu)光頻相控陣,，使得納米激光器陣列可以“同步起舞”，生成可重構(gòu)的任意相干激射圖案,。
相較于常規(guī)激光器,，納米激光器具有小體積、低能耗等特點(diǎn),，在信息技術(shù),、傳感探測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
5.發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)與極低溫制冷新機(jī)制
超固態(tài)是一種在極低溫環(huán)境下涌現(xiàn)的新奇量子物態(tài),，其獨(dú)特之處在于同時(shí)具備固體與超流體的雙重特性,，并通過量子疊加效應(yīng)共存于同一系統(tǒng)中。經(jīng)多年研究,，除冷原子氣模擬實(shí)驗(yàn)取得進(jìn)展外,，在固體物質(zhì)中尚未能尋覓到超固態(tài)存在的確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此,，在《科學(xué)》雜志創(chuàng)刊125周年之際公布的全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問題中,，“固體中是否可能存在超流現(xiàn)象？如何實(shí)現(xiàn),？”被列為其中之一,。
中國科學(xué)院理論物理研究所/中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛、李偉,，中國科學(xué)院物理研究所孫培杰和北京航空航天大學(xué)金文濤等在三角晶格阻挫量子磁體磷酸鈉鋇鈷中取得了重大突破,。研究發(fā)現(xiàn)該阻挫量子磁體實(shí)現(xiàn)超固態(tài)的磁性對(duì)應(yīng)，即自旋超固態(tài),。中子譜學(xué)給出了其固態(tài)序和超流序共存的證據(jù),，與理論預(yù)測高度符合,，這是首次在固體材料中找到自旋超固態(tài)存在的可靠實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)該自旋超固態(tài)的巨磁卡效應(yīng),，利用其強(qiáng)漲落的量子特性,，在磁場調(diào)控下成功實(shí)現(xiàn)了94mK（零下273.056攝氏度）的極低溫，開辟了無氦-3極低溫固體制冷新途徑,。目前,，所研發(fā)的固態(tài)制冷測量器件已實(shí)現(xiàn)無氦-3條件下的極低溫電導(dǎo)測量，最低測量溫度達(dá)到25mK,。
量子材料固態(tài)制冷技術(shù)的不斷發(fā)展,，有望為量子科技、空間探測等國家重大需求提供重要的技術(shù)支撐,。
6.異體CAR-T細(xì)胞療法治療自身免疫病
長期以來,，徹底治愈紅斑狼瘡、硬皮病,、多發(fā)性硬化癥等自身免疫性疾病,，是全球共同面臨的醫(yī)學(xué)難題。現(xiàn)有免疫抑制藥物雖然可在一定程度上緩解病情,，但可能帶來嚴(yán)重的副作用,。自體CAR-T療法在自身免疫病的治療中已初顯療效，但與自體CAR-T療法不同,，同種異體CAR-T細(xì)胞具有顯著的優(yōu)勢(shì),，因?yàn)樗鼈兙邆洹爱愺w通用性”，即可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的異體細(xì)胞產(chǎn)品為不同患者提供治療,，無需個(gè)性化制備,，簡化了治療流程并提高了可及性。
海軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院（上海長征醫(yī)院）徐滬濟(jì),、華東師范大學(xué)杜冰,、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院吳華香和華東師范大學(xué)劉明耀等創(chuàng)新性地對(duì)來自健康供者的細(xì)胞進(jìn)行基因編輯后研制出異體通用型CAR-T細(xì)胞，在保障安全的前提下,，成功治療了2例嚴(yán)重難治性硬皮病和1例炎性肌病患者,，取得顯著療效，對(duì)廣泛使用CAR-T細(xì)胞療法和降低其治療費(fèi)用起到極大的推動(dòng)作用,。
CAR-T細(xì)胞療法有望成為治療多種免疫系統(tǒng)疾病的常規(guī)治療手段,，為細(xì)胞治療產(chǎn)品的研發(fā)帶來新思路。
7.額外X染色體多維度影響男性生殖細(xì)胞發(fā)育
人類性染色體存在差異：男性為XY,，女性為XX,。X染色體包含約1000個(gè)基因，而Y染色體僅有約50個(gè)基因,。為維持X染色體基因表達(dá)的平衡,，女性細(xì)胞會(huì)隨機(jī)失活一條X染色體。若這種平衡被打破,，可能引發(fā)疾病,。例如，克氏綜合征患者性染色體為XXY,，是導(dǎo)致男性不育最常見的遺傳病因之一,，其生殖細(xì)胞在青春期前就大量丟失。盡管其病因在1959年就已確定,，但生殖細(xì)胞丟失之前發(fā)生了什么,，何時(shí)出現(xiàn)發(fā)育異常，以及X染色體如何發(fā)揮作用,，此前并不清楚,。
北京大學(xué)喬杰、袁鵬,、閆麗盈,、魏瑗等研究發(fā)現(xiàn)，克氏綜合征患者的生殖細(xì)胞早在胎兒期就已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)育阻滯,，并且從多維度揭示其中的機(jī)制：在克氏綜合征患者的生殖細(xì)胞中,，額外X染色體未失活，導(dǎo)致X染色體基因表達(dá)過量,，從而引發(fā)與維持細(xì)胞幼稚狀態(tài)相關(guān)的基因（如WNT和TGF-β通路,、多能性、有絲分裂基因）表達(dá)上調(diào),，而與生殖細(xì)胞分化相關(guān)的基因（如減數(shù)分裂,、piRNA代謝、癌睪基因）表達(dá)下調(diào),，最終導(dǎo)致發(fā)育阻滯,。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)抑制TGF-β通路可以促進(jìn)克氏綜合征胎兒生殖細(xì)胞分化，為克氏綜合征不育癥的早期治療提供重要的理論基礎(chǔ),。
該研究不僅為克氏綜合征患者不育的發(fā)病機(jī)制提供了重要見解,，也為早期治療提供了重要的理論依據(jù)。
8.凝聚態(tài)物質(zhì)中引力子模的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)
引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一種神奇現(xiàn)象,，它由時(shí)空的劇烈擾動(dòng)產(chǎn)生,，其基本量子特征表現(xiàn)為自旋為2的引力子。近年來,，物理學(xué)家將廣義相對(duì)論中的幾何描述方法引入到凝聚態(tài)物理的某些體系中,，特別是在分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)中。如果擾動(dòng)這些系統(tǒng)的量子空間測度,，可能會(huì)涌現(xiàn)出類似“引力波”的現(xiàn)象,。這些現(xiàn)象的量子特征與引力子相似,，被稱為引力子模，是一種自旋為2的低能集體激發(fā)模式,。
南京大學(xué)杜靈杰等搭建了極低溫強(qiáng)磁場共振非彈性偏振光散射平臺(tái),。實(shí)驗(yàn)使用的樣品是砷化鎵半導(dǎo)體量子阱，其中的兩維電子氣在強(qiáng)磁場下形成分?jǐn)?shù)量子霍爾液體,。實(shí)驗(yàn)測量是一個(gè)雙光子拉曼散射過程,，入射光子被量子液體吸收，然后量子液體再發(fā)射出一個(gè)光子,。由于光子自旋為1,，不同自旋的入射及出射光子可以產(chǎn)生自旋為0及+2和-2的元激發(fā)，自旋只為+2或-2的激發(fā)就是引力子模,。最終在分?jǐn)?shù)量子霍爾液體中首次成功觀察到引力子模,，并發(fā)現(xiàn)其具有手性。這是首次探測到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子,。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果從兩維空間角度證實(shí)了度規(guī)擾動(dòng)的量子是自旋2的低能激發(fā),，進(jìn)而讓凝聚態(tài)材料成為探索宇宙尺度物理的“人造”實(shí)驗(yàn)室，提供了探索解決量子引力問題的新思路,。
證實(shí)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)全新的幾何描述,，開辟了關(guān)聯(lián)物態(tài)幾何實(shí)驗(yàn)研究的新方向，有望對(duì)探測半導(dǎo)體電子系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算起到推動(dòng)作用,。
9.高能量轉(zhuǎn)化效率錒系輻射光伏微核電池的創(chuàng)制
大量核廢料中含有半衰期長達(dá)數(shù)千年到百萬年的錒系核素,，長期被視為環(huán)境負(fù)擔(dān)。蘇州大學(xué)王殳凹,、王亞星和西北核技術(shù)研究所/湘潭大學(xué)歐陽曉平等提出一種新型錒系輻射光伏核電池的技術(shù)方案,，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)將核廢料中錒系核素衰變釋放的能量轉(zhuǎn)化為持久電能，實(shí)現(xiàn)變廢為寶,。
傳統(tǒng)輻射光伏核電池在利用錒系核素衰變能時(shí),，會(huì)受到α粒子自吸收效應(yīng)的限制，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低,，難以充分發(fā)揮錒系核素所蘊(yùn)含的巨大能量,。為突破這一瓶頸，該團(tuán)隊(duì)通過引入“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”概念,，在分子級(jí)別上將放射性核素與能量轉(zhuǎn)換單元緊密耦合,，從根本上克服了自吸收效應(yīng)，大幅提升了衰變能轉(zhuǎn)換效率,。實(shí)驗(yàn)中,，研究團(tuán)隊(duì)將核廢料中關(guān)鍵的錒系核素243Am均勻摻入稀土發(fā)光配位聚合物晶格中，形成緊密耦合的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,，在1%的243Am摻雜條件下,，該材料在內(nèi)輻照下可產(chǎn)生肉眼可見的自發(fā)光，其衰變能到光能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3.43%,。進(jìn)一步結(jié)合鈣鈦礦光伏電池后,，總能量轉(zhuǎn)換效率突破0.889%，單位活度功率可達(dá)139μW·Ci-1,，并在連續(xù)運(yùn)行200小時(shí)的測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性,。
這一錒系輻射光伏核電池設(shè)計(jì)思路,，在錒系元素化學(xué)與能量轉(zhuǎn)換器件之間架起橋梁,，兼具基礎(chǔ)研究深度和潛在應(yīng)用前景，為高效微型核電池開發(fā)提供了理論基礎(chǔ),，也為放射性廢物的資源化利用提供了新的思路,。
10.發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞影響宿主星系形成演化的重要證據(jù)
星系是宇宙結(jié)構(gòu)的基本組成單元。星系之所以發(fā)光,，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部含有數(shù)千億顆恒星,。按照星系恒星形成能力的強(qiáng)弱，天文學(xué)家一般把星系分為兩類：較為年輕,、能夠持續(xù)產(chǎn)生新的恒星的“恒星形成星系”（如銀河系）,，以及較年老、幾乎沒有新的恒星形成的“寧靜星系”（比如M87星系）,。研究恒星形成星系如何轉(zhuǎn)變?yōu)閷庫o星系,，即星系如何由“生”到“死”的問題，是星系宇宙學(xué)的核心任務(wù)之一,。
圍繞這一核心任務(wù),，約半個(gè)世紀(jì)前科學(xué)家就提出星系的中心黑洞在成長過程中釋放的巨大能量對(duì)星系的形成演化有重要影響。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,，這一理論已成為當(dāng)前主流星系形成演化模型的共識(shí),。然而，長期以來黑洞如何影響星系的形成演化一直缺乏明確的觀測證據(jù),，這也成為當(dāng)前亟待解決的重要科學(xué)問題,。
針對(duì)這一重要科學(xué)問題，南京大學(xué)王濤等創(chuàng)新性地開始探索中心黑洞質(zhì)量與星系冷氣體含量之間的關(guān)系,。該研究首次揭示中心黑洞的質(zhì)量是調(diào)制星系中冷氣體含量的最關(guān)鍵的物理量：中心黑洞質(zhì)量越高的星系其冷氣體含量越低,，而冷氣體又是星系中恒星形成的原料，因此這一發(fā)現(xiàn)對(duì)中心黑洞影響星系形成演化提供了重要的觀測證據(jù),。很大程度上中心黑洞影響宿主星系的恒星形成是通過從源頭上限制恒星形成的原料——冷氣體的含量來實(shí)現(xiàn)的,。
該結(jié)果闡明了寧靜星系普遍具有一個(gè)較大質(zhì)量中心黑洞的原因，確立了中心黑洞在調(diào)控星系生命周期中的核心地位，向最終解開星系生死轉(zhuǎn)變的謎團(tuán)邁出堅(jiān)實(shí)一步,。
編輯：李華山
