科技日報記者 操秀英
嫦娥六號返回樣品揭示月背28億年前火山活動、實現(xiàn)大規(guī)模光計算芯片的智能推理與訓練……3月27日， 2025中關村論壇年會開幕式上發(fā)布了2024年度“中國科學十大進展”。 2024年度“中國科學十大進展”主要分布在數(shù)理天文信息、化學材料能源、地球環(huán)境和生命醫(yī)學等科學領域。
此次入選進展充分體現(xiàn)了面向世界科技前沿、面向經濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的戰(zhàn)略導向，以及科學研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發(fā)力，不斷突破人類認知邊界。
它們具體都實現(xiàn)了哪些突破，這些突破又意味著什么？業(yè)內權威專家對此進行了解讀。
一、嫦娥六號返回樣品揭示月背28億年前火山活動
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、巖漿活動多少等方面存在的顯著差異。嫦娥六號（CE-6）任務首次實現(xiàn)月球背面采樣返回，為人類研究月球背面火山活動提供了獨有的素材。
中國科學院地質與地球物理研究所李秋立、中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛和中國科學院國家天文臺李春來等報道了首批月球背面樣品的研究成果。研究表明嫦娥六號月壤樣品與位于月球正面的阿波羅任務和嫦娥五號任務返回樣品存在巨大差異，CE-6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、粘結巖、玻璃和淺色巖屑等，月壤的成分與當?shù)匦鋷r成分存在較大差異，顯示月壤來源的復雜性。當?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42億年前的玄武質火山活動產物，指示月球背面南極-艾特肯盆地存在長期的火山活動歷史。28億年玄武巖的同位素年齡彌補了撞擊坑統(tǒng)計定年曲線在20~32億年間的數(shù)據空白。CE-6樣品揭示了月球背面樣品的獨特性，填補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、撞擊歷史和月球背面與正面地質差異提供了直接證據，開啟了月球研究的新階段。
二、實現(xiàn)大規(guī)模光計算芯片的智能推理與訓練
以大模型為代表的人工智能技術迅猛發(fā)展，對算力的需求呈現(xiàn)遠超摩爾定律增長的趨勢，新興智能計算范式的發(fā)展迫在眉睫。光具備傳播速度快、表征維度多、計算功耗低等物理特性。智能光計算用光子替代電子作為計算載體，以光的受控傳播實現(xiàn)計算，有望對當前計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。針對大規(guī)模可重構智能光計算難題，清華大學方璐、戴瓊海等摒棄了傳統(tǒng)電子深度計算的范式，首創(chuàng)了分布式廣度光計算架構，建立干涉-衍射聯(lián)合傳播模型，研制了國際首款大規(guī)模通用智能光計算芯片“太極”，實現(xiàn)每焦耳160萬億次運算的系統(tǒng)級能量效率，首次賦能光計算實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內容生成等通用人工智能任務。
訓練和推理是AI大模型核心能力的兩大基石，缺一不可。針對大規(guī)模神經網絡的訓練難題，該團隊構建了光子傳播對稱性模型，摒棄了電訓練反向傳播范式，首創(chuàng)了全前向智能光計算訓練架構，擺脫了對GPU離線訓練的依賴，支撐智能系統(tǒng)的高效精準光訓練。
太極系列芯片實現(xiàn)了大規(guī)模神經網絡的高效推理與訓練，相較于國際先進GPU（依賴7nm先進光刻制程），系統(tǒng)級能效提升了2個數(shù)量級，且僅需百納米級制程工藝。有望解決電子芯片痛點問題，以全新的計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、通用人工智能、復雜智能系統(tǒng)的高速高能效計算探索新路徑。
三、闡明單胺類神經遞質轉運機制及相關精神疾病藥物調控機理
大腦神經元之間的信息傳遞是構成認知與情感功能的基礎。神經遞質“釋放-回收-再填充”的循環(huán)過程是神經信號傳遞的關鍵環(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，如抑郁癥、注意缺陷多動障礙等。神經遞質轉運體是一類專門負責神經遞質跨膜運輸?shù)摹翱爝f員”，主要介導神經遞質的循環(huán)過程，確保了神經信號的精準傳遞。因此調控神經遞質轉運體的活性成為治療精神疾病的核心策略。然而，相關靶向藥物存在副作用大和藥物濫用等問題；人們對神經遞質轉運體工作機制的理解也尚不深入，因此缺乏精準設計精神疾病藥物的基礎。
中國科學院生物物理研究所趙巖團隊，聯(lián)合中國科學院物理研究所姜道華等，利用冷凍電鏡技術揭開了多種關鍵神經遞質轉運體的神秘面紗，系統(tǒng)闡明了它們識別并轉運神經遞質多巴胺、去甲腎上腺素、甘氨酸和囊泡單胺的過程。此外，該研究揭示了神經遞質轉運體與多種精神疾病藥物的精準作用機制，展現(xiàn)了不同神經遞質轉運體多樣化、特異性的藥物結合口袋，并發(fā)現(xiàn)了新型低成癮性藥物結合位點，為設計副作用小、成癮性低的精神疾病治療藥物提供了結構基礎。
該進展不僅深化了對神經遞質介導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，具有重要的臨床轉化價值。
四、實現(xiàn)原子級特征尺度與可重構光頻相控陣的納米激光器
20世紀的四大發(fā)明中，晶體管和激光器占據重要地位。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。電力的廣泛應用推動了工業(yè)革命和現(xiàn)代化進程，極大提升了社會生產力；而作為信息載體的電子芯片，則催生了信息技術革命，引領人類邁入數(shù)字化時代。自1960年美國科學家梅曼成功研制出首臺激光器以來，激光技術便在兩個極端方向上不斷拓展：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。正如錢學森先生的形象描述，這一技術相當于在地球上創(chuàng)造一個“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日益加速。正如晶體管的微縮推動了電子芯片的發(fā)展，微型激光器的進步極大促進了光子技術的革新。
在這一背景下，北京大學馬仁敏等提出了奇點色散方程，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——奇點介電納米激光器，首次將激光器的特征尺度推進至原子級別。此外，他們還基于納米激光器構建了可重構光頻相控陣，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，在信息技術、傳感探測等領域具有廣闊的應用前景。
五、發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)巨磁卡效應與極低溫制冷新機制
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)，于20世紀60年代末，由諾貝爾物理學獎得主A. Leggett等學者從理論上提出。超固態(tài)的獨特之處在于同時具備固體與超流體的雙重特性，并通過量子疊加效應共存于同一系統(tǒng)中。經多年研究，除冷原子氣模擬實驗取得進展外，在固體物質中尚未能尋覓到超固態(tài)存在的確鑿實驗證據。因此，在《科學》雜志創(chuàng)刊125周年之際公布的全世界最前沿的125個科學問題中，“固體中是否可能存在超流現(xiàn)象？如何實現(xiàn)？”被列為其中之一。
中國科學院理論物理研究所/中國科學院大學蘇剛、李偉，中國科學院物理研究所孫培杰和北京航空航天大學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)該阻挫量子磁體實現(xiàn)超固態(tài)的磁性對應，即自旋超固態(tài)。中子譜學給出了其固態(tài)序和超流序共存的證據，與理論預測高度符合，這是首次在固體材料中找到自旋超固態(tài)存在的可靠實驗證據。
該團隊還發(fā)現(xiàn)該自旋超固態(tài)的巨磁卡效應，利用其強漲落的量子特性，在磁場調控下成功實現(xiàn)了94 mK（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)制冷測量器件已實現(xiàn)了無氦-3條件下的極低溫電導測量，最低測量溫度達到25 mK。其他面向實際應用的固態(tài)制冷器件也在探索與研制中。隨著量子材料固態(tài)制冷技術的不斷發(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支撐。
六、異體CAR-T細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)學難題?，F(xiàn)有免疫抑制藥物雖然可在一定程度上緩解病情，卻不總能阻止疾病的進展，反而可能帶來嚴重的副作用。自體CAR-T療法在自身免疫病的治療中已取得了初顯療效，但與自體CAR-T療法不同，同種異體CAR-T細胞具有顯著的優(yōu)勢，因為它們具備“異體通用性”，即可以使用標準化的異體細胞產品為不同患者提供治療，無需個性化制備，簡化了治療流程并提高了可及性。
海軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院（上海長征醫(yī)院）徐滬濟、華東師范大學杜冰、浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院吳華香和華東師范大學劉明耀等創(chuàng)新性地對來自健康供者的細胞進行基因編輯后研制的異體通用型CAR-T細胞，在保障安全的前提下，成功治療了2例嚴重難治性硬皮病和1例炎性肌病患者，取得了顯著的療效，對廣泛使用CAR-T細胞療法和降低其治療費用起到了極大的推動作用。
該研究為CAR-T細胞療法在其他免疫疾病領域的應用打開了新的大門，有望成為治療多種免疫系統(tǒng)疾病的常規(guī)治療手段，為全球患者提供更多的治療選擇。同時，該研究具有重要的學術價值，推動了免疫細胞編輯和治療技術的創(chuàng)新與發(fā)展，為細胞治療產品的研發(fā)帶來了新的思路。
七、額外X染色體多維度影響男性生殖細胞發(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個基因，而Y染色體僅有約50個基因。為維持X染色體基因表達的平衡，女性細胞會隨機失活一條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，是導致男性不育最常見的遺傳病因之一，其生殖細胞在青春期前就大量丟失。盡管其病因在1959年就已確定，但生殖細胞丟失之前發(fā)生了什么，何時出現(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胞早在胎兒期就已經出現(xiàn)了嚴重的發(fā)育阻滯，并且從多維度揭示了其中的機制：在克氏綜合征患者的生殖細胞中，額外X染色體未失活，導致X染色體基因表達過量，從而引發(fā)了與維持細胞幼稚狀態(tài)相關的基因（如WNT和TGF-β通路、多能性、有絲分裂基因）表達上調，而與生殖細胞分化相關的基因（如減數(shù)分裂、piRNA代謝、癌睪基因）表達下調，最終導致發(fā)育阻滯。此外，支持細胞與生殖細胞之間遷移相關的信號異常，阻礙了生殖細胞向睪丸索基底部遷移，加劇了發(fā)育阻滯。
該團隊還發(fā)現(xiàn)抑制TGF-β通路可以促進克氏綜合征胎兒生殖細胞分化，從而為克氏綜合征不育癥的早期治療提供重要的理論基礎。
八、凝聚態(tài)物質中引力子模的實驗發(fā)現(xiàn)
引力波是愛因斯坦廣義相對論預言的一種神奇現(xiàn)象，它由時空的劇烈擾動產生，其基本量子特征表現(xiàn)為自旋為2的引力子。另一方面，凝聚態(tài)物理專注于研究材料中出現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象。近年來，物理學家將廣義相對論中的幾何描述方法引入到凝聚態(tài)物理的某些體系中，特別是在分數(shù)量子霍爾系統(tǒng)中。如果擾動這些系統(tǒng)的量子空間測度，可能會涌現(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。
南京大學杜靈杰等搭建了極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射平臺。實驗使用的樣品是砷化鎵半導體量子阱，其中的兩維電子氣在強磁場下形成分數(shù)量子霍爾液體。實驗測量是一個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。最終在分數(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粒子。該實驗結果從兩維空間角度證實了度規(guī)擾動的量子是自旋2的低能激發(fā)，進而讓凝聚態(tài)材料成為探索宇宙尺度物理的“人造”實驗室，提供了探索解決量子引力問題的新思路。同時該成果證實了分數(shù)量子霍爾效應全新的幾何描述，開辟了關聯(lián)物態(tài)幾何實驗研究的新方向，有望對探測半導體電子系統(tǒng)的微觀結構及實現(xiàn)拓撲量子計算起到推動作用。
九、高能量轉化效率錒系輻射光伏微核電池的創(chuàng)制
在我國核能快速發(fā)展的背景下，伴隨而來的大量核廢料中含有半衰期長達數(shù)千年到百萬年的錒系核素，長期被視為環(huán)境負擔。為此，蘇州大學王殳凹、王亞星和西北核技術研究所/湘潭大學歐陽曉平等提出了一種新型錒系輻射光伏核電池的技術方案，通過創(chuàng)新設計將核廢料中錒系核素衰變釋放的能量轉化為持久電能，實現(xiàn)了變廢為寶。
傳統(tǒng)輻射光伏核電池在利用錒系核素衰變能時，會受到α粒子自吸收效應的限制，導致能量轉換效率較低，難以充分發(fā)揮錒系核素所蘊含的巨大能量。為突破這一瓶頸，該團隊通過引入“聚結型能量轉換器”概念，通過在分子級別上將放射性核素與能量轉換單元緊密耦合，從根本上克服了自吸收效應，大幅提升了衰變能轉換效率。實驗中，研究團隊將核廢料中關鍵的錒系核素243Am均勻摻入稀土發(fā)光配位聚合物晶格中，形成了緊密耦合的晶體結構。結果表明，在1%的243Am摻雜條件下，該材料在內輻照下可產生肉眼可見的自發(fā)光，其衰變能到光能轉換效率可達3.43%。進一步結合鈣鈦礦光伏電池后，總能量轉換效率突破0.889%，單位活度功率可達139 μW·Ci?1，并在連續(xù)運行200小時的測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。
這一錒系輻射光伏核電池設計思路，在錒系元素化學與能量轉換器件之間架起了橋梁，兼具基礎研究深度和潛在應用前景，為高效微型核電池開發(fā)提供了理論基礎，也為放射性廢物的資源化利用提供了新的思路。
十、發(fā)現(xiàn)超大質量黑洞影響宿主星系形成演化的重要證據
星系是宇宙結構的基本組成單元。星系之所以發(fā)光，主要是因為其內部含有數(shù)千億顆恒星。按照星系恒星形成能力的強弱，天文學家一般把星系分為兩類：較為年輕、能夠持續(xù)產生新的恒星的“恒星形成星系”（如銀河系），和較年老、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，是星系宇宙學的最核心任務之一。
圍繞這一核心任務，約半個世紀前科學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星系的形成演化有重要影響。經過近半個世紀的發(fā)展，這一理論已成為當前主流星系形成演化模型的共識。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，這也成為當前亟待解決的重要科學問題。
針對這一重要科學問題，南京大學王濤等創(chuàng)新性地開始探索中心黑洞質量與星系冷氣體含量之間的關系。該研究首次揭示了中心黑洞的質量是調制星系中冷氣體含量的最關鍵的物理量：中心黑洞質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)對中心黑洞影響星系形成演化提供了重要的觀測證據。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——冷氣體的含量來實現(xiàn)的。該結果闡明了寧靜星系普遍具有一個較大質量中心黑洞的原因，確立了中心黑洞在調控星系生命周期中的核心地位，向著最終解開星系生死轉變的謎團邁出了堅實的一步。
（圖片由國家自然科學基金委員會提供）
