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來(lái)源:中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院
《創(chuàng)新研究報(bào)告》
編者按：2016年，前沿基礎(chǔ)交叉研究的一系列進(jìn)展令人矚目?！犊茖W(xué)》列舉了人工智能、星系宇宙、生命科學(xué)、先進(jìn)材料、智能制造等方面的最新進(jìn)展?！蹲匀弧芬擦信e了捕捉引力波、世界新秩序、勇踏前人未至之境、CRISPR專利之爭(zhēng)等十個(gè)影響了2016年的重大科學(xué)事件，涉及天文、星系宇宙、生命科學(xué)、能源環(huán)境、人工智能等領(lǐng)域。中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院組織課題組對(duì)2016年前沿基礎(chǔ)交叉、新型能源、生命科學(xué)、新一代信息技術(shù)等領(lǐng)域的科技進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并邀請(qǐng)中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)、生命科學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)合體、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)、中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)等有關(guān)學(xué)會(huì)及學(xué)會(huì)聯(lián)合體專家進(jìn)行咨詢完善，計(jì)劃聯(lián)合發(fā)布系列報(bào)告，本報(bào)告主要介紹的是前沿基礎(chǔ)交叉研究領(lǐng)域的科技進(jìn)展。
一、核心數(shù)學(xué)
美國(guó)密蘇里中央大學(xué)數(shù)學(xué)家柯蒂斯·庫(kù)珀（Curtis Cooper）通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)梅森素?cái)?shù)大搜索”（Great Internet Mersenne Prime Search,GIMPS）項(xiàng)目，于2016年1月7日找到了目前人類已知的最大素?cái)?shù)2^74207281-1，該素?cái)?shù)有22338618位，是第49個(gè)梅森素?cái)?shù)。梅森素?cái)?shù)研究能促進(jìn)分布式計(jì)算技術(shù)和人類尖端計(jì)算能力的發(fā)展。而且，現(xiàn)代密碼學(xué)和其他復(fù)雜的數(shù)字編碼也需要大素?cái)?shù)，素?cái)?shù)越大，密碼被破譯的可能性越小。
美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校杰出的數(shù)學(xué)家Ian Agol在證明穩(wěn)和問(wèn)題(Tameness)、虛擬哈肯猜想(Virtual Haken Conjecture)和虛擬纖維猜想(Virtual Fibering Conjecture)等方面取得重要進(jìn)展，2016年被授予數(shù)學(xué)突破獎(jiǎng)，表彰他在低維拓?fù)浜蛶缀稳赫摲矫孀龀龅呢暙I(xiàn)。
二、類腦計(jì)算
牛津大學(xué)大腦磁共振成像中心利用組織切片方法以及恢復(fù)神經(jīng)元形態(tài)的特殊技術(shù)，鑒別出15種抑制性神經(jīng)元，并對(duì)神經(jīng)元間的電生理特性進(jìn)行描述，繪制出連接圖譜，闡明神經(jīng)元連接機(jī)制。[1]
大腦活動(dòng)與行為機(jī)制基礎(chǔ)研究也有所進(jìn)展。牛津大學(xué)揭示了讓大腦的睡眠翻轉(zhuǎn)的分子機(jī)制，或可幫助深入理解睡眠的奧秘。[2]來(lái)自萊斯大學(xué)和貝勒醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)和人工智能專家從人類大腦中獲得靈感，創(chuàng)造了一種新的“深度學(xué)習(xí)”方法，他們對(duì)可視化數(shù)據(jù)建立了半監(jiān)督學(xué)習(xí)系統(tǒng)，不需要手把手的培訓(xùn)，使計(jì)算機(jī)能夠以自己的方式學(xué)習(xí)，就像人類的嬰兒一樣。[3]
Google旗下DeepMind公司開(kāi)發(fā)的人工智能圍棋程序（AlphaGo）在2016年3月的對(duì)弈中戰(zhàn)勝了世界頂尖棋手李世石（Lee Se-dol）[4]。2016年10月，DeepMind的研究者還推出了另一款人工智能程序可微分神經(jīng)計(jì)算機(jī)（DNC），它能將經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)能力與記憶儲(chǔ)存相結(jié)合，在沒(méi)有任何先前知識(shí)儲(chǔ)備的情況下判斷指定點(diǎn)之間的最短路徑，相關(guān)成果發(fā)布在了《自然》雜志上。這意味著人工智能距離執(zhí)行類似人類的任務(wù)（比如推理）又更近了一步。[5]
IBM蘇黎世研究中心在2016年8月宣布，他們利用相變材料作為記憶儲(chǔ)存來(lái)模擬生物大腦存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的功能，制造出了世界上首個(gè)人工相變神經(jīng)元，可實(shí)現(xiàn)高速無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。這一突破標(biāo)志著人類在認(rèn)知計(jì)算應(yīng)用中超密度集成神經(jīng)形態(tài)技術(shù)，以及高效節(jié)能技術(shù)上的發(fā)展又向前邁進(jìn)重要的一步。[6]
美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)2016年7月在《自然》上發(fā)表了“人類大腦圖譜”，其中97個(gè)人類大腦皮層區(qū)域此前從未描述過(guò)，屬于首次公布。馬修·格拉塞、大衛(wèi)·馮·埃森和同事借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，根據(jù)210位健康年輕成年人的大腦成像數(shù)據(jù)，繪制出了這幅精確的大腦圖譜。這些年輕人都來(lái)自人類連接組計(jì)劃。該圖譜對(duì)研究自閉癥、精神分裂癥、癡呆癥和癲癇等大腦疾病會(huì)是一大福音。[7]
蒂姆·布利斯等3名英國(guó)科學(xué)家從細(xì)胞和分子層面揭示了名為“長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)”現(xiàn)象背后的運(yùn)行機(jī)制，以及這種現(xiàn)象如何影響人類的學(xué)習(xí)和記憶能力。他們因在解析人腦記憶相關(guān)機(jī)制方面的突出貢獻(xiàn)，獲得2016年“格雷特·倫德貝克歐洲大腦研究獎(jiǎng)”。[8]
IBM開(kāi)發(fā)出模擬大腦的芯片TrueNorth，在一塊芯片上集成了100萬(wàn)個(gè)“神經(jīng)元”和2.56億個(gè)“突觸”，模擬能夠處理感覺(jué)、視覺(jué)、氣味以及環(huán)境信息的右腦。[9]
三、凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)
哥倫比亞大學(xué)的Cory Dean等人2016年9月在《自然》上發(fā)文，他們利用石墨烯自身的邊緣作為原子級(jí)平整的邊界，克服了界面散射的問(wèn)題，成功觀察到電子的負(fù)折射現(xiàn)象。電子負(fù)折射技術(shù)和石墨烯PN結(jié)不僅存在許多潛在的應(yīng)用，而且制備原子級(jí)平整的界面技術(shù)也對(duì)未來(lái)的器件制造提供了啟發(fā)性的借鑒意義。[10]
Edouard Lesne等學(xué)者2016年8月在《自然·材料》上發(fā)文，表示他們通過(guò)鐵磁坡莫合金FeNi層向LaAlO3/SrTiO3界面注入自旋電流，發(fā)生自旋向電荷轉(zhuǎn)化，并通過(guò)樣品兩端產(chǎn)生的電壓探測(cè)到了電荷的積累，之前在Ag/Bi（111）的界面處也觀察到因自旋軌道相互作用引起自旋電荷轉(zhuǎn)化，但這次的轉(zhuǎn)化效率高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)電荷密度超過(guò)一定閾值后，界面處顯現(xiàn)出超導(dǎo)特性，而超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度同樣可以通過(guò)適當(dāng)?shù)钠珘簛?lái)調(diào)控。[10]
上海交通大學(xué)賈金鋒研究組、浙江大學(xué)許祝安和張富春研究組、南京大學(xué)李紹春研究組及美國(guó)麻省理工學(xué)院傅亮研究組等合作，通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用更靈敏、更低溫度的掃描隧道顯微鏡，率先觀測(cè)到了在拓?fù)涑瑢?dǎo)體渦旋中存在馬約拉納費(fèi)米子的重要證據(jù)，這種粒子是未來(lái)制造量子計(jì)算機(jī)可能的候選對(duì)象。該成果發(fā)表在2016年6月21日《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。[10]
南京大學(xué)陳延峰、盧明輝和劉曉平等學(xué)者的研究在2016年12月首次實(shí)現(xiàn)了在不需要激發(fā)和制備出單一聲贗自旋的情況下，驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了聲子的量子自旋霍爾效應(yīng)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅為聲學(xué)拓?fù)洮F(xiàn)象的研究提供了新路徑，同時(shí)也有望應(yīng)用于未來(lái)的噪聲消除技術(shù)。該成果發(fā)表在《自然·物理》雜志上。[10]
芬蘭阿爾托大學(xué)和俄羅斯卡皮查研究院的物理學(xué)家2016年12月在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)文，表明科研團(tuán)隊(duì)已成功地在氦III的新相中觀察到了半量子渦旋。[10]
四、基本粒子
美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)由底、奇、上、下四味不同夸克構(gòu)成的四夸克粒子“X（5568）”。四夸克粒子家族這一獨(dú)特成員的出現(xiàn)，將幫助理論學(xué)家們建立模型。通過(guò)測(cè)量該粒子的衰變方式或自旋等屬性，科學(xué)家將刷新對(duì)四夸克粒子的理解，并進(jìn)一步洞悉讓夸克緊密結(jié)合在一起的強(qiáng)作用力。
橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)下的科研團(tuán)隊(duì)在2016年4月的《自然·材料》上發(fā)文稱，他們?cè)谝环N類似石墨烯的二維材料中首次測(cè)量到了被稱為“馬約拉那納費(fèi)米子”（Majoranafermion）的分?jǐn)?shù)化粒子。這個(gè)結(jié)果與基塔耶夫模型（Kitaev Model），即量子自旋液體的主要理論模型相符，這使得量子物態(tài)中又多了新的一員，將會(huì)推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展。[11,12]
五、星系宇宙學(xué)
加州理工大學(xué)的科學(xué)家發(fā)表了研究成果，稱發(fā)現(xiàn)冥王星以外存在著巨大的第9顆行星（Planet X）的證據(jù)。他們稱這顆行星很可能是地球質(zhì)量的2~15倍。[13]
美國(guó)宇航局的科學(xué)家在2016年4月發(fā)現(xiàn)了一顆在地球軌道上穩(wěn)定下來(lái)的小行星，它成為了地球附近的伴星，或者是第二顆衛(wèi)星。[13]
倫敦瑪麗王后大學(xué)（Queen Mary University of London）由Guillem Anglada-Escude博士帶領(lǐng)30位天文學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在2016年8月宣布發(fā)現(xiàn)了宜居行星Proxima b，它擁有能孕育生命的環(huán)境，且距離地球僅約4光年，它的發(fā)現(xiàn)為人類進(jìn)一步探索和研究宜居星球奠定了基礎(chǔ)。[14]
由天文學(xué)家組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)》上發(fā)表文章，稱蜻蜓44星系（Dragonfly 44）幾乎99.99%都是由暗物質(zhì)組成，這為天文學(xué)家研究什么是暗物質(zhì)，以及暗物質(zhì)為什么存在提供了研究基礎(chǔ)。[15]
蘇格蘭西部大學(xué)的物理學(xué)家2016年6月發(fā)現(xiàn)了一個(gè)梨形核，顛覆了先前的理論。根據(jù)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的梨形核，它的尖端指向一個(gè)特定的方向。他們認(rèn)為，這個(gè)方向是所有時(shí)空移動(dòng)的方式，正因?yàn)槿绱耍瑳](méi)有其他方向的時(shí)間或空間可以去，從而不可能實(shí)現(xiàn)時(shí)空旅行。[16]
六、引力波天文學(xué)
美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)與加州理工、麻省理工和LIGO科學(xué)合作組織(包含GEO600組織和澳大利亞干涉引力天文協(xié)會(huì))的專家利用激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）在2016年2月11日首次探測(cè)到引力波，分別來(lái)自29倍太陽(yáng)質(zhì)量與36倍太陽(yáng)質(zhì)量的兩個(gè)黑洞。6月15日，LIGO再次捕捉到引力波信號(hào)，雖然比首次探測(cè)到的信號(hào)要弱，但置信度高達(dá)5西格瑪，并將相關(guān)研究成果發(fā)表在美國(guó)《物理學(xué)評(píng)論通訊》雜志上。12月初，LIGO完成重新升級(jí)工作，在對(duì)其激光器、電子回路和光學(xué)設(shè)備升級(jí)后，它的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和靈敏度進(jìn)一步提高。引力波的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)界里程碑式的重大成果，它應(yīng)驗(yàn)了100年前愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)，并為人類探索宇宙的引力波天文學(xué)開(kāi)辟了新的道路。[17]
七、超導(dǎo)量子
美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的研究團(tuán)隊(duì)2016年10月用碳納米管和二硫化鉬制備的晶體管的尺寸縮小到1納米，是目前世界上最小的晶體管。相比于最小尺寸為20納米的硅晶體管，碳納米管晶體管可極大提高集成電路晶體管密度，將芯片處理速度提高1000倍。這項(xiàng)技術(shù)將有力推進(jìn)碳納米管晶體管在超大規(guī)模集成電路芯片技術(shù)中的應(yīng)用，相關(guān)研究成果已發(fā)表在《科學(xué)》上。[18]
美國(guó)勞倫斯利弗莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和加州大學(xué)分?？茖W(xué)家2016年8月首次使用超輕的石墨烯凝膠3D打印出可以保留能量的超級(jí)電容器，其厚度是當(dāng)前使用電極制造的同類電容的1/10~1/100。為高效能源存儲(chǔ)器在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、電動(dòng)汽車和無(wú)線傳感器的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。
澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）科研團(tuán)隊(duì)2016年10月在《自然·納米技術(shù)》中發(fā)表了最新成果，開(kāi)發(fā)出了新型量子比特，相比目前保留時(shí)間最長(zhǎng)、最穩(wěn)定的量子態(tài)疊加，穩(wěn)定性獲得了10倍的提升。[19]
2016年11月，曼徹斯特大學(xué)和諾丁漢大學(xué)的研究人員合成納米級(jí)超薄硒化銦（Indium Selinide，InSe），它可以做得只有幾層原子那么薄，十分接近石墨烯，而且擁有比石墨烯更好的半導(dǎo)體屬性。硒化銦能隙大，做成的晶體管可以很容易地開(kāi)啟和關(guān)閉，是未來(lái)代替硅制作電子芯片的理想材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》上。[20]
八、光場(chǎng)調(diào)控
凱斯西儲(chǔ)大學(xué)2016年3月在《自然·材料》中發(fā)文稱，他們開(kāi)發(fā)出一種比目前最好的光學(xué)傳感器的靈敏度高出一百萬(wàn)倍的光學(xué)傳感器，有助于早期癌癥檢測(cè)。[21]
萊斯大學(xué)和奧地利格拉茨大學(xué)的科學(xué)家2016年6月在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的《物理化學(xué)》（The Journal of Physical Chemistry C）雜志上發(fā)表文章稱，他們用光驅(qū)動(dòng)了單分子納米小汽車，并且首次看到了它們是如何移動(dòng)的。萊斯大學(xué)的科學(xué)家用特定波長(zhǎng)的光來(lái)驅(qū)使納米車沿著銅表面移動(dòng)，用光來(lái)提供能量，使它們開(kāi)到任何一個(gè)光能找到的地方。[22]
九、量子光學(xué)
英國(guó)劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)2016年6月在《自然》上發(fā)文稱，他們將能量在光和分子之間來(lái)回振蕩，形成一種分子和光的量子態(tài)強(qiáng)耦合。這一成果有助于開(kāi)發(fā)量子技術(shù)，以及能控制物質(zhì)物理和化學(xué)性質(zhì)的新方法。[23]
英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的研究者2016年8月在《自然·通信》上發(fā)文稱，通過(guò)將光和單個(gè)電子“綁”在一起，或可制造出一種新形式的“耦合”光，同時(shí)擁有光和電子的屬性。這種光能升級(jí)，使這一現(xiàn)象更容易被觀察到，并且也能使科學(xué)家在室溫下研究這些量子現(xiàn)象。[23]
加拿大滑鐵盧大學(xué)量子計(jì)算研究所(IQC)的科學(xué)家創(chuàng)造了迄今最強(qiáng)的光—物質(zhì)耦合新紀(jì)錄,強(qiáng)度是之前的10倍多。研究人員表示,發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上的這一最新成果,將使很多目前無(wú)法進(jìn)行的物理學(xué)研究成為可能。鮑爾·弗恩-戴茲領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)鋁電路,接著將其放入稀釋制冷劑內(nèi),讓其冷卻到絕對(duì)零度之上百分之一攝氏度。在如此寒冷的溫度下,電路具有超導(dǎo)特性,這意味著電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)沒(méi)有電阻或者不會(huì)失去能量。這些鋁電路中所謂的超導(dǎo)量子比特遵循量子力學(xué)法則，而且其行為類似人造原子。光和量子比特之間這種強(qiáng)烈的量子耦合,有助于科學(xué)家們進(jìn)一步探索與生物過(guò)程、高溫超導(dǎo)等奇特材料甚至相對(duì)論有關(guān)的物理學(xué)研究。
十、計(jì)算化學(xué)
美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家2016年4月在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)文稱，他們利用中子散射和從頭計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)了水分子的新物態(tài)，即如果將一個(gè)水分子塞入綠柱石內(nèi)部0.5納米寬，0.9納米長(zhǎng)的六棱柱空隙中，水分子展現(xiàn)出量子隧穿效益，成為離域分子。[24]
十一、新能源化學(xué)
德國(guó)科學(xué)家2016年2月成功開(kāi)啟了世界上最大的“仿星器”核聚變反應(yīng)堆“文德?tīng)柺┨┮?-X”（簡(jiǎn)稱W7-X）。在2015年12月進(jìn)行氦等離子體測(cè)試后，2016年2月首次成功的產(chǎn)生了了氫等離子體。[25]
中國(guó)海洋大學(xué)唐群委團(tuán)隊(duì)2016年4月在《應(yīng)用化學(xué)》發(fā)文稱，開(kāi)發(fā)出一種石墨烯材料能使太陽(yáng)能電池在雨天也能發(fā)電。該項(xiàng)研究有助于延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池的潛在發(fā)電時(shí)間，在雨量充沛且光照不足的地區(qū)能發(fā)揮更大作用。[26]
由歐盟6個(gè)成員國(guó)意大利、德國(guó)、西班牙、葡萄牙、奧地利和瑞士的跨學(xué)科科研人員組成的歐洲PHOCS科研團(tuán)隊(duì)，最新研制的有機(jī)半導(dǎo)體材料光電化學(xué)制氫系統(tǒng)原型，將穩(wěn)定制氫時(shí)間提高到前所未有的3小時(shí)，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用于光伏電子、有機(jī)生物電子、光電探測(cè)和有機(jī)半導(dǎo)體等，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
十二、納米生物
美國(guó)麻省理工學(xué)院對(duì)外宣布，該校研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)建人工合成細(xì)胞，將不同基因電路隔離，防止它們相互干擾。此外，研究人員還可以控制這些細(xì)胞之間的通訊，允許電路或產(chǎn)物在特定時(shí)間內(nèi)結(jié)合。這是一種通過(guò)建立墻使多組遺傳電路不會(huì)產(chǎn)生干擾的方式，即使將它們都放入同一個(gè)單細(xì)胞中，這些遺傳電路也不會(huì)產(chǎn)生干擾。該技術(shù)使得研究人員可以創(chuàng)建更為復(fù)雜的基因電路。這項(xiàng)研究被發(fā)表在2016年11月14日的《自然·化學(xué)》上。
芬蘭科研人員研究發(fā)現(xiàn)，DNA（脫氧核糖核酸）支架無(wú)需低溫環(huán)境，就能夠自組裝成固定模型，并將納米顆粒融合到功能性結(jié)構(gòu)中，集成單電子器件。相關(guān)成果發(fā)表在近期《納米通訊》雜志上。芬蘭韋斯屈萊大學(xué)納米科學(xué)中心和坦佩雷大學(xué)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中心的研究人員，使用DNA支架將3個(gè)金納米粒子組裝到單電子晶體管中。DNA支架此前曾被用來(lái)將金納米顆粒組織成圖案，但這次的工作首次表明，DNA支架可被用于構(gòu)建精確的、可控的、完全具備電氣特征的單電子納米器件，使其無(wú)需在低溫下也能正常工作。
作者：高曉巍、方偉、曹學(xué)偉、王達(dá)
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