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1.實(shí)現(xiàn)多自由度量子隱形傳態(tài)

多自由度量子隱形傳態(tài)示意圖

量子隱形傳態(tài)在概念上非常類(lèi)似于科幻小說(shuō)中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而無(wú)需傳輸載體本身。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究小組在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，成果以封面標(biāo)題的形式發(fā)表于《自然》雜志。這是自1997年國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來(lái)，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)18年努力在量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，為發(fā)展可擴(kuò)展的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該成果被英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)為“2015年度國(guó)際物理學(xué)十大突破之首”。

量子信息技術(shù)以一種革命性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和傳輸，在信息安全和運(yùn)算速度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子通信是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式，可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題；量子計(jì)算具有超快的并行計(jì)算能力，有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和藥物設(shè)計(jì)等大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。在量子通信和量子計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，可構(gòu)架多節(jié)點(diǎn)多用戶(hù)的廣域量子網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。而實(shí)現(xiàn)以上所有這些技術(shù)的一個(gè)核心單元就是多自由度的量子隱形傳態(tài)。

2.中國(guó)科學(xué)家找到外爾費(fèi)米子

德國(guó)科學(xué)家外爾1929年指出，當(dāng)質(zhì)量為零時(shí)，狄拉克方程描述的是一對(duì)能量相同但具有相反手性的新粒子，即外爾費(fèi)米子。80多年過(guò)去了，人們一直未能觀測(cè)到這種神奇的粒子。

近年來(lái)，拓?fù)浣^緣體尤其是拓?fù)浒虢饘俚阮I(lǐng)域研究的快速發(fā)展為尋找外爾費(fèi)米子提供了新的思路，它們可以作為準(zhǔn)粒子存在于外爾半金屬材料中。尋找外爾半金屬材料是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，也是該領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。2015年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)方忠研究組(翁紅明等)通過(guò)理論計(jì)算預(yù)言，TaAs家族材料就是要尋找的外爾半金屬體系；陳根富研究組合成出了該材料的晶體，并觀察到理論預(yù)測(cè)到的因手征反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)；丁洪研究組(丁洪和錢(qián)天等)與合作者用角分辨光電子能譜證實(shí)了理論預(yù)言的三維電子能譜和費(fèi)米弧。

中國(guó)科學(xué)家的一系列工作終于“找到”了外爾費(fèi)米子這樣一個(gè)隱身80多年的“幽靈”粒子。此外，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Z. Hasan研究組和清華大學(xué)的陳宇林研究組及合作者也得到類(lèi)似的結(jié)果。外爾半金屬的發(fā)現(xiàn)提出了很多新的科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)低能耗電子器件等變革性技術(shù)提供了新的思路。

3.揭示埃博拉病毒演化及遺傳多樣性

2014年初在西非暴發(fā)了埃博拉病毒病疫情，之前的研究顯示，此次疫情病毒的變異速率比以往有成倍的提高，該結(jié)果引起了全球疫情防控機(jī)構(gòu)的恐慌。人們擔(dān)心病毒的高速變異可能導(dǎo)致更加烈性的病毒變異株產(chǎn)生，同時(shí)大量變異可能對(duì)基于PCR技術(shù)的病毒檢測(cè)產(chǎn)生漏檢。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所曹務(wù)春研究組與中國(guó)科學(xué)院微生物研究所高福研究組和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所賀福初等合作，對(duì)2014年9月至11月間的大量病例標(biāo)本進(jìn)行基因組測(cè)序，獲得來(lái)自塞拉利昂的175株病毒的全長(zhǎng)基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在此期間埃博拉病毒在系統(tǒng)發(fā)生上進(jìn)一步分化，遺傳多樣性快速增加，出現(xiàn)了多個(gè)新的病毒流行分支。但此疫情中埃博拉病毒的變異速率，與先前暴發(fā)疫情中埃博拉病毒的變異速率接近。這些研究成果加深了對(duì)病毒進(jìn)化特點(diǎn)以及傳播動(dòng)力學(xué)的理解，消除了國(guó)際社會(huì)對(duì)于埃博拉病毒快速變異的擔(dān)憂(yōu)，同時(shí)大量基因組序列的發(fā)表為現(xiàn)場(chǎng)病毒檢測(cè)PCR引物設(shè)計(jì)提供了參考，并將有助于對(duì)埃博拉病毒疫苗和治療方案的研發(fā)。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年8月6日《自然》上。

4.首次測(cè)量到反物質(zhì)間相互作用力

美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)的STAR實(shí)驗(yàn)將質(zhì)心能量為200GeV的金離子相互碰撞，產(chǎn)生出大量的反質(zhì)子，這為測(cè)量反質(zhì)子-反質(zhì)子間相互作用提供了機(jī)會(huì)。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馬余剛研究組與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室唐愛(ài)洪研究組等合作，利用STAR實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)反質(zhì)子-反質(zhì)子之間動(dòng)量關(guān)聯(lián)函數(shù)的測(cè)量，首次提取了反質(zhì)子-反質(zhì)子相互作用的有效力程和散射長(zhǎng)度。研究表明，反質(zhì)子-反質(zhì)子之間存在著強(qiáng)吸引力，可以克服反質(zhì)子-反質(zhì)子之間的由于同號(hào)(負(fù)電荷)所產(chǎn)生的庫(kù)倫排斥力，結(jié)合成反物質(zhì)原子核。而且他們測(cè)量得到的結(jié)果與質(zhì)子-質(zhì)子相互作用的對(duì)應(yīng)值在誤差范圍內(nèi)一致。他們的研究結(jié)果提供了兩個(gè)反質(zhì)子間相互作用的直接信息，給出了對(duì)量子場(chǎng)論和對(duì)稱(chēng)原理的一個(gè)直接驗(yàn)證，為進(jìn)一步理解更復(fù)雜的反原子核及其屬性奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年11月19日《自然》上?！蹲匀弧穼徃迦藢?duì)該研究給予高度贊賞：“這是首例反質(zhì)子-反質(zhì)子作用的直接測(cè)量?！?/span>

5.人類(lèi)原始生殖細(xì)胞基因表達(dá)與表觀遺傳調(diào)控特征

生殖細(xì)胞（精子和卵子）是人類(lèi)維持生命延續(xù)、代代相傳的種子和紐帶。在媽媽的肚子里，胎兒除了要完成自身發(fā)育，還要為其后代做好準(zhǔn)備，形成原始生殖細(xì)胞（PGC）并進(jìn)行性腺發(fā)育,以保證性成熟后形成正常的精子和卵子。

這類(lèi)特殊的原始生殖細(xì)胞與其他細(xì)胞有何不同？基因表達(dá)調(diào)控的特征是什么？除了遺傳序列本身，祖父輩及父母親還把哪些表觀遺傳記憶留在了PGC細(xì)胞中？哪些表觀遺傳記憶信息必須需要清除？人類(lèi)對(duì)其還缺乏深刻的認(rèn)識(shí)。

北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組和北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探苎芯拷M采用最新的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序等關(guān)鍵技術(shù)，深度解析了人類(lèi)原始生殖細(xì)胞多個(gè)發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組的動(dòng)態(tài)變化，揭示了人類(lèi)原始生殖細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的一系列關(guān)鍵特征。

該項(xiàng)研究顯示，處于發(fā)育早期的人類(lèi)原始生殖細(xì)胞協(xié)同表達(dá)一系列多能性基因以及生殖系特異基因。

基因組DNA甲基化作為一種關(guān)鍵的表觀遺傳修飾方式，是調(diào)控細(xì)胞分化過(guò)程中基因表達(dá)的關(guān)鍵機(jī)制之一。

他們的研究首次發(fā)現(xiàn)女性原始生殖細(xì)胞中X染色體重新激活明顯早于小鼠，而且SOX15 僅特異性高表達(dá)于人類(lèi)早期原始生殖細(xì)胞，推測(cè)其是調(diào)控原始生殖細(xì)胞發(fā)育與性別分化的重要基因。

此外，該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)人類(lèi)原始生殖細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷大規(guī)模的表觀遺傳記憶(DNA甲基化標(biāo)記)的擦除，在胚胎第11周時(shí)原始生殖細(xì)胞中僅有6%——7%的DNA甲基化得以保留；但另外一方面，基因組中的一些特殊的重復(fù)序列元件上仍然殘留大量甲基化，這為研究人類(lèi)隔代遺傳現(xiàn)象的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)提供了重要線索。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年6月4日《細(xì)胞》上。

6.發(fā)現(xiàn)東亞最早的現(xiàn)代人化石

作為人類(lèi)起源與演化研究的重要組成部分，現(xiàn)代人起源一直是古人類(lèi)學(xué)研究與爭(zhēng)議的熱點(diǎn)。目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界的主流觀點(diǎn)支持現(xiàn)代人起源于非洲，認(rèn)為現(xiàn)代人19萬(wàn)年前起源于非洲，6萬(wàn)年前擴(kuò)散到歐亞大陸，成為當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代人的祖先。近10年來(lái)，中國(guó)學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域的研究取得一系列重要進(jìn)展，確定早期現(xiàn)代人至少10萬(wàn)年前在華南地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)。

然而，學(xué)術(shù)界對(duì)于具有完全現(xiàn)代形態(tài)的人類(lèi)在東亞地區(qū)出現(xiàn)時(shí)間尚不清楚。中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所劉武和吳秀杰研究組與英國(guó)María Martinón-Torres合作等報(bào)告了對(duì)中國(guó)南部湖南省道縣福巖洞的最新發(fā)掘資料。他們先后發(fā)現(xiàn)了47枚人類(lèi)牙齒化石以及大量動(dòng)物化石。

研究顯示，道縣人類(lèi)牙齒尺寸較小，明顯小于歐洲、非洲和亞洲更新世中、晚期人類(lèi)，位于現(xiàn)代人變異范圍，牙齒齒冠和齒根呈現(xiàn)典型現(xiàn)代智人特征。這些形態(tài)和尺寸對(duì)比分析說(shuō)明道縣人類(lèi)牙齒已經(jīng)具有完全現(xiàn)代形態(tài)，可以明確歸入現(xiàn)代智人。測(cè)年結(jié)果表明，這批人類(lèi)化石的埋藏年代在 8——12萬(wàn)年前。動(dòng)物群組成則指示出晚更新世早期的特點(diǎn)，進(jìn)一步支持測(cè)年的結(jié)果。據(jù)此可以確定，具有完全現(xiàn)代形態(tài)的人類(lèi)至少8萬(wàn)年前在華南局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)。這項(xiàng)研究以可靠的地層年代數(shù)據(jù)和詳實(shí)的化石形態(tài)特征提供了迄今最早的現(xiàn)代類(lèi)型人類(lèi)在華南地區(qū)出現(xiàn)的化石證據(jù)，填補(bǔ)了現(xiàn)代類(lèi)型人類(lèi)在東亞地區(qū)最早出現(xiàn)時(shí)間和地理分布的空白。這是繼2010年廣西智人洞下頜骨發(fā)現(xiàn)之后，中國(guó)學(xué)者在東亞現(xiàn)代人起源方面取得的又一項(xiàng)重大突破，對(duì)“中國(guó)沒(méi)有早于6萬(wàn)年的現(xiàn)代人”這一國(guó)際主流觀點(diǎn)提出了有力挑戰(zhàn)。

此外，與這群現(xiàn)代人同時(shí)代的北方地區(qū)，還生活著形態(tài)特征更原始的“土著居民”，道縣的研究描繪了一幅中國(guó)南北地區(qū)不同人群共同存在的場(chǎng)景，進(jìn)而提出現(xiàn)代人在中國(guó)擴(kuò)散的可能路線為由南向北。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于探討現(xiàn)代人在歐亞地區(qū)的出現(xiàn)和擴(kuò)散具有非常重要的意義。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年10月29日《自然》上。

7.發(fā)現(xiàn)宇宙早期最亮、中心黑洞質(zhì)量最大天體

發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)宇宙中的明亮天體對(duì)了解早期宇宙的結(jié)構(gòu)極為重要，位于宇宙早期的高紅移類(lèi)星體是研究早期宇宙的重要探針。迄今為止，天文學(xué)家通過(guò)大型巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30多萬(wàn)個(gè)類(lèi)星體，其中大約有40個(gè)類(lèi)星體紅移大于6（即距離超過(guò)127億光年）。每個(gè)類(lèi)星體中心都包含一個(gè)質(zhì)量約為10億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，它們正在猛烈地吞噬其周?chē)奈镔|(zhì)，并在黑洞附近釋放出巨大的能量。

北京大學(xué)物理學(xué)院吳學(xué)兵研究組與合作者基于自主發(fā)展的選取高紅移類(lèi)星體候選體的有效方法和判據(jù)，利用中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)的2.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡首先觀測(cè)和國(guó)外4臺(tái)大型光學(xué)和紅外地面望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)距離我們128億光年(紅移6.3)、發(fā)光強(qiáng)度是太陽(yáng)的430萬(wàn)億倍、中心黑洞質(zhì)量約為120億太陽(yáng)質(zhì)量的超亮類(lèi)星體。

這是目前發(fā)現(xiàn)的在宇宙早期最亮、中心黑洞質(zhì)量最大的一個(gè)類(lèi)星體，也是世界上第一個(gè)利用2米級(jí)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的紅移6以上的類(lèi)星體。該發(fā)現(xiàn)證實(shí)在宇宙年齡只有9億年時(shí)，就已經(jīng)形成質(zhì)量為120億太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這對(duì)目前的黑洞形成和增長(zhǎng)理論以及黑洞和星系共同演化理論都提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，并為未來(lái)研究早期宇宙中黑洞和星系的形成和演化提供了一個(gè)特別的實(shí)驗(yàn)室。相關(guān)研究論文作為封面推薦論文發(fā)表2015年2月26日《自然》上。

8.解析細(xì)胞炎性壞死的關(guān)鍵分子機(jī)制

細(xì)胞炎性壞死（細(xì)胞焦亡）是機(jī)體的重要免疫防御反應(yīng)，在拮抗和清除病原感染和內(nèi)源危險(xiǎn)信號(hào)中都發(fā)揮重要作用。過(guò)度的細(xì)胞焦亡會(huì)誘發(fā)多種自身炎癥/免疫性疾病，最新研究顯示艾滋病的發(fā)生也和細(xì)胞焦亡有關(guān)。然而人們對(duì)細(xì)胞焦亡發(fā)生的機(jī)制完全不清楚。

北京生命科學(xué)研究所邵峰研究組與合作者，利用最新的CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)，針對(duì)caspase-1 和caspase-11介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡通路進(jìn)行了全基因組范圍遺傳篩選，鑒定出全新的GSDMD蛋白，并證明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，該蛋白的切割對(duì)于炎性caspase激活細(xì)胞焦亡既是必要的也是充分的。這是20年來(lái)首次揭示細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵分子機(jī)制，為多種自身炎癥性疾病和內(nèi)毒素誘導(dǎo)的敗血癥提供了全新的藥物靶點(diǎn)。該研究還首次發(fā)現(xiàn)gasdermin家族蛋白(包含GSDMD)都具有誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的功能，進(jìn)而重新定義了細(xì)胞焦亡的概念，并開(kāi)辟了細(xì)胞程序性壞死和天然免疫研究的新領(lǐng)域。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年10月29日《自然》上。

9.碳基高效光解水催化劑

利用太陽(yáng)光直接催化分解水同時(shí)制取氫和氧是發(fā)展清潔、綠色可再生能源的理想策略之一。在過(guò)去40年，聚焦于一步、四電子過(guò)程來(lái)研究光催化分解水，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種無(wú)機(jī)和有機(jī)材料體系的光解水催化劑。然而，大多數(shù)光催化劑量子效率較低、穩(wěn)定性較差。蘇州大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院康振輝、Yeshayahu Lifshitz和李述湯研究組設(shè)計(jì)構(gòu)建出一種非金屬碳納米點(diǎn)-氮化碳納米復(fù)合材料高效光解水催化劑，提出并示范了一種兩步、兩電子過(guò)程的高效完全光解水新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光下高效的全分解水。該催化劑具有較好的穩(wěn)定性(可見(jiàn)光催化活性200天保持不變)以及較高的太陽(yáng)能到氫能的轉(zhuǎn)換效率(波長(zhǎng)420+20 nm下量子效率為16%，太陽(yáng)能到氫能的轉(zhuǎn)換效率約為2%)。此外，該催化劑材料還具備廉價(jià)、資源豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年2月27日《科學(xué)》上。還被《化學(xué)世界》、《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》等多家科學(xué)媒體進(jìn)行專(zhuān)題報(bào)道。倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院Steve Dunn教授評(píng)價(jià)該研究為“是該領(lǐng)域的徹底變革”。該研究結(jié)果為深入理解和設(shè)計(jì)高效光催化劑提供了新的思路。

10.實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振探測(cè)

在納米尺度上直接測(cè)量單個(gè)分子的組成、結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，是當(dāng)今物質(zhì)科學(xué)探索的發(fā)展趨勢(shì)。自旋磁共振是重要的物質(zhì)科學(xué)研究手段，在前沿科學(xué)和國(guó)民生產(chǎn)眾多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。然而基于磁電感應(yīng)探測(cè)原理的傳統(tǒng)磁共振技術(shù)，通常只能測(cè)量毫米尺度以上百億個(gè)分子系綜的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)分子的直接測(cè)量。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)杜江峰領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)使用最新的量子操控技術(shù)，基于鉆石量子探針和新穎的自旋量子干涉儀探測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)了單分子磁共振的突破。該團(tuán)隊(duì)于國(guó)際上首次獲取了單個(gè)蛋白質(zhì)分子（直徑約5納米）的順磁共振譜，并解析出其動(dòng)力學(xué)信息，成功將電子順磁共振技術(shù)分辨率從毫米推進(jìn)到納米，靈敏度從上百億個(gè)分子推進(jìn)到單個(gè)分子。該新技術(shù)可用來(lái)在單分子層面認(rèn)識(shí)物質(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)的機(jī)理，在物理、化學(xué)及生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，特別是其室溫大氣的寬松實(shí)驗(yàn)條件為生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了尤為適宜的條件。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年3月6日《科學(xué)》上。這一成果在國(guó)際同領(lǐng)域引起了很大反響，得到美國(guó)化學(xué)會(huì)、德國(guó)馬普所等廣泛的新聞報(bào)道?！犊茖W(xué)》雜志將該成果選為研究亮點(diǎn)并配發(fā)專(zhuān)文報(bào)道，稱(chēng)其“實(shí)現(xiàn)了一個(gè)崇高的目標(biāo)”，“是通往活體細(xì)胞中單蛋白分子實(shí)時(shí)成像的重要里程碑”。