2022年上半年有哪些科技成果？

2022上半年国内重大科技成果

1人工智能MOML算法保障冬奥气象预报

相比夏奥，冬奥会受天气影响更大。在中国科学院院士、北京大学副校长、北京大学重庆大数据研究院首席科学家张平文领衔下，该院研究团队参与了国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项项目“冬奥赛场定点气象要素客观预报技术研究及应用”课题研究，开发出人工智能MOML算法赋能天气预报模型，使预报更精准。

据了解，MOML算法在温度、湿度、风速、风向等天气要素上已取得突破，不仅可以很好地辅助预报员，大幅减少预报员的工作量，相比常规方法来说，它将预报的准确性提高了10%以上。

2“墨子号”实现1200公里地表量子态传输

2022年5月6日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。相关研究成果日前在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

3瞄准肿瘤治疗前沿，质子装置国产化加速

2022年5月，首台国产质子治疗示范装置180度旋转束治疗室在上海交通大学医学院附属瑞金医院启用，首批患者接受治疗。

质子治疗是世界上最先进的肿瘤治疗手段之一，有治疗精准、副作用小、患者生活质量高等优点。

4迄今构建规模最大的小鼠单神经元全脑投射图谱问世

在我国科学家努力下，迄今构建规模最大的小鼠单神经元全脑投射图谱问世。2022年3月31日，国际学术期刊《自然一神经科学》以封面文章形式在线发表了相关研究论文。

据介绍，神经元在大脑中的长程投射，如同交通网络中的干线一样，至关重要。这项最新研究，在国际上率先重构了小鼠大脑前额叶皮层6357个单神经元的全脑投射图谱，是此前国际上所有研究小鼠单神经元全脑投射数量的两倍以上。研究还揭示出前额叶皮层内部联接和外部投射的规律，提出前额叶皮层可能的工作模型。

5神舟十三号搭载的作物种子顺利出舱解密太空育种

2022年4月26日，神舟十三号载人飞船返回舱在京完成开舱。中国农业大学等单位搭载的作物种子顺利出舱。据了解，此次搭载神舟十三号返回的不仅有中药材种子，还有水稻、食用菌、生菜等各类植物种子。它们来自不同地区、单位，有些侧重于基础研究，有些则侧重于品种培育。

太空育种，也称航天育种、航天诱变育种，是利用太空的特殊环境诱使植物种子发生基因变异，进而选育植物新品种、创造农业育种材料、丰富基因资源，是一种将辐射、宇航、育种和遗传等学科综合起来的高新技术。与传统育种技术相比，太空育种最大优势在于空间诱变材料的变异率高、育种周期短，可在相对较短时间内创制出高产、早熟、抗病等性状优良的种质资源。

6我国创造大气科学观测世界纪录

2022年5月15日凌晨1时许，“极目一号”Ⅲ型浮空艇从海拔4270米的中科院珠峰站附近发放场地升空，开启第二次青藏科考“巅峰使命”珠峰科考的浮空艇观测任务。

此次执行观测任务的“极目一号”Ⅲ型浮空艇，是我国自主研发的系留浮空器，长55米，高19米，体积9060立方米。主要用于观测海拔9000米高空大气组分垂直变化和传输过程，搭载了水汽稳定同位素分析仪以及黑碳、粉尘、甲烷/二氧化碳和风温湿压观测仪。获得的青藏高原海拔9000米高空的大气组分变化科学数据，可以研究、追踪区域水循环，为揭示“亚洲水塔”水的来源提供关键科学数据和理论基础，也可为全球变暖背景下青藏高原水一生态一人类活动链式变化应对策略的提出提供重要科学依据。

7“探索二号”搭载“深海勇士”号探秘深海冷泉

2022年5月11日，“探索二号”科考船搭载着“深海勇士”号返航，圆满完成2022年度深海原位科学实验站第一航段任务——深海原位实验室在南海冷泉区的海试任务。

在完成深海原位实验室海试任务的同时，通过“深海勇士”号在南海冷泉区开展了冷泉流体渗漏的生态环境效应科考，获取了海马冷泉区及其东北方向的两处新生冷泉活动区一批重要的流体、沉积物和生物样本，并通过深海原位实验室对其中的一处渗漏口进行了流体组分、微生物群落等的72小时原位观测。冷泉系统是一种深海自然现象，由富含甲烷的流体渗漏至海底而形成。这次科考也对进一步揭开南海冷泉的神秘面纱提供了丰富的资料。

2021年国内重大科技成果

1异源四倍体野生稻快速驯化获突破

中国科学院种子创新研究院／遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，从而大幅提升粮食产量并增加作物环境变化适应性。本项研究为未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略，开辟了全新的作物育种方向。

2“祖冲之号”“九章二号”量子计算原型机研制成功

5月8日，中科大团队制造的“祖冲之号”，打破了量子计算机最大量子比特数的世界纪录。它以一个62比特的超导量子计算原型机，实现了可编程的二维量子行走。10月，它又升级到了“祖冲之二号”，可以操纵66个比特。

10月，中国科大、中科院上海微系统与信息技术所等构建了113个光子的“九章二号”，处理“高斯玻色取样”速度比目前最快的超级计算机快1024倍，进一步提供了量子计算加速的实验证据。

这两台计算机的问世，意味着我国量子计算机已进入20时代，我国在量子计算领域的优越性再次增强（国外称之为“量子霸权”），目前全球只有中美两个国家实现了量子霸权。

3我国首次火星探测任务天问一号着陆火星

2021年5月15日，我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，在火星上首次留下中国人的印迹，迈出了我国星际探测征程的重要一步。

6月11日，国家航天局举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。

在中国航天发展史上，天问一号任务实现了6个首次，一是首次实现地火转移轨道探测器发射；二是首次实现行星际飞行；三是首次实现地外行星软着陆；四是首次实现地外行星表面巡视探测；五是首次实现4亿公里距离的测控通信；六是首次获取第一手的火星科学数据。

天问一号探测器由环绕器、着陆器和巡视器组成。其三大目标是环绕、着陆和巡视。

4“拉索”发现迄今最高能量光子

2021年5月17日，《自然》发表的一项最新成果，改变了人们对银河系的传统认知：位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）在银河系内发现2个能量超过1拍电子伏特（PeV，1000万亿电子伏特）的光子，这2个超高能光子分别来自天鹅座和蟹状星云，其中1个光子能量高达14PeV。

“这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了超高能伽马天文学的时代。”中科院高能所研究员、“拉索”首席科学家曹臻说。

7月9日，《科学》报道“拉索”精确测量了高能天文学标准烛光的亮度。科学家们确认，这个标准烛光就是由宋朝记录的“天关客星”经千年演化形成的著名天体——蟹状星云。“拉索”测量了标准烛光在2400倍的能量范围内的亮度，尤其是在能量最高的超高能伽马波段测定了新标准。

5神舟两次成功发射中国人长期驻守太空

2021年6月17日，神舟十二号载人航天飞船成功发射，并与天和核心舱成功完成对接。9月17日三位宇航员（聂海胜、刘伯明、汤洪波）回到地球。神舟十二号是空间站关键技术验证阶段第四次飞行任务，也是空间站阶段首次载人飞行任务。

2021年10月16日，神舟十三号将另外三名航天员（翟志刚、王亚平、叶光富）送上太空，他们要驻留半年，这也是空间站航天员乘组一般的驻留周期。这意味着，中国的载人航天迈过试验阶段，实现太空往返常态化。中国的空间站即将成为人类探索宇宙的主力阵地。神舟十三号是中国空间站关键技术验证阶段第六次飞行。

6金沙江白鹤滩水电站投产发电

2021年6月28日，世界第二大水电站——白鹤滩水电站，首批机组正式投产发电。白鹤滩水电站位于云南和四川交界的金沙江干流上，是当今世界在建的规模最大、难度最高的水电工程。它的最大坝高289米，排名世界第三；总装机容量达1600万千瓦，仅次于三峡水电站。

主席为此致贺信指出：“白鹤滩水电站是实施西电东送的国家重大工程，是当今世界在建规模最大、技术难度最高的水电工程。全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组，实现了我国高端装备制造的重大突破。”

7首次实现淀粉全人工合成

中科院天津工业生物技术研究所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。

这一合成生物学领域重大原创突破，有望对粮食生产产生革命性影响，对生物制造产业的发展具有里程碑意义。

8凯勒几何两大核心猜想被证明

2021年11月初，媒体报道，《美国数学会杂志》发表了中国科学技术大学几何物理中心创始主任陈秀雄教授与合作者程经睿在偏微分方程和复几何领域取得的“里程碑式结果”。

他们解出了一个四阶完全非线性椭圆方程，成功证明了“强制性猜想”和“测地稳定性猜想”这两个国际数学界60多年悬而未决的核心猜想，解决了若干有关凯勒流形上常标量曲率度量和卡拉比极值度量的著名问题。

9我国首个抗新冠病毒特效药获批上市

12月8日，国家药品监督管理局宣布，应急批准腾盛华创医药技术公司的新冠病毒中和抗体联合治疗药物安巴韦单抗注射液及罗米司韦单抗注射液注册申请。这是我国首个获批的自主知识产权新冠病毒中和抗体联合治疗药物。

此获批标志着中国拥有了首个全自主研发并经过严格随机、双盲、安慰剂对照研究证明有效的抗新冠病毒特效药。

10“嫦娥五号”样品重要研究成果先后出炉

2021年10月19日，中国科学院发布“嫦娥五号”月球科研样品最新研究成果。科研人员利用超高空间分辨率铀—铅（U-Pb）定年技术，对“嫦娥五号”月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物进行分析，确定玄武岩形成年龄为2030±004亿年，表明月球在20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动时间长了约8亿年。

随着九章量子计算机的问世，全网也是被量子计算刷屏，同时也有很多网友进行了解释，但是打开文章一看，一脸大写的懵！什么是量子计算机，什么是量子霸权，那为啥量子计算这么快呢？

要了解这一点，我们就必须知道传统计算机是怎么工作的。

现在大家用的计算机，也就是通用计算机，它是基于二进制进行计算的，也就是它只认识0和1这两种，所以在计算机的最底层数据都是利用 二进制 来编码的

举个简单的例子，十进制中我们的数字1-10，在二进制中表示就是

1=1

2=10

3=11

咱们以此类推，不然该说我水文章了

所以只要位数足够大，我们就可以表示出很大的数字

那么计算机是如何具体的表示二进制中的0和1呢？

就像是灯泡，通电就表示1，没通电就表示0

那么像这样的一个灯泡，我们就叫做一个比特（bit），这就是咱们目前传统计算的最小计算单元

当然了，也没我说的这么简单，传统计算机也还是很复杂的

那么量子计算机是怎么来表示数的呢？

传统计算机叫经典比特，量子计算机当然叫量子比特了！

问题来了什么是量子比特呢？他是具有某个量子态的系统，量子系统中一个神奇现象就是，他是经典状态的叠加态。

还是拿灯泡举例，灯泡无非就是两种状态，一种是通电亮了，一种是不通电不亮，在任意时刻就只能是其中一种。

而量子比特就有所不同，他可以同时处在亮也不亮的状态的，所以每一个量子比特的叠加态实际上可以表示无数种状态。

既然已经知道了计算的最小单位，那么我们来举一个例子，来说明量子计算和传统计算的区别

说有一个黑盒子，左边伸出1000根绳子，右边也伸出1000根绳子，但其实 只有1根绳子是连通 的，请问，你该如何找到这根连通的绳子呢？

答案需要尝试1000 1000次，也就是要 100万次 才能找到答案。

但如果用量子计算机解决这个问题，就简单多了。

刚刚我们说过，量子比特的存储是所有可能的数字叠加在一起存储的。那么从1到1000，其实就只是一组量子比特而已。也就是说，只需要一次计算，量子计算机就同时把所有的可能都考虑进去了。它可以一次性地找到那根连通的绳子。通过并行计算，实现了100万倍的效率提升。

无敌是多么寂寞？

NoNoNo

这是2012年美国的物理学家John Preskill提出的一个概念，本意是指，如果我们某一些特定的计算问题上，量子计算相比较于传统计算体现出绝对的优势，那么就是量子霸权。

所以这次我国的九章计算机解决的就是高斯玻色采样问题

那么到这里就会有人不禁想问了，既然量子计算机这么厉害，那我们现在用的计算机是不是马上就得淘汰了？

不要怕不要怕，这还远着呢！刚刚我们说过了量子计算机是解决特定的问题，等到什么时候可以大规模集成量子比特，就像传统计算机里的晶体管一样，通用量子计算机出现的时候，那说不定可以淘汰了

不过“九章”的问世是对量子计算来说是一个巨大的鼓舞，未来可期。

作者：佰思科学 沈东旭 邱亚明

2020年12月4日，中国 科技 大学宣布，九章量子计算机问世。九章的意义有多大？对我们的生活能带来什么样的影响？让我们一起来检视这些问题。

通过量子实现通用技术的想法，由美国科学家理查德·费曼等人在上世纪八十年代初提出来的。 在某些领域， 量子计算机有着比传统计算机巨大的优势。比如著名的质因数分解问题，就是如何把整数分解成质因数的乘积，Peter Shor最早证明了，使用量子计算，能比传统计算机快很多。原因是什么呢？

量子计算机利用了量子的特性，比如叠加与纠缠，这些都是传统计算机所做不到的。 传统计算机里，存储器就两个状态，0或者1；而量子计算机，由于量子叠加原理，存储器可以同时拥有0和1两种状态。当有N个存储器的时候，可以存储2^N（2的n次方）个状态。因此量子计算机能同时对2^N（2的n次方）个数进行运算，而传统计算机必须进行2^N个（2的n次方）操作，或者有2^N（2的n次方）个处理器进行并行处理才行。这样量子计算机在处理某些并行算法方面比传统计算机有着巨大的优势。

从本质上来说，量子计算机和传统的电子计算机都是图灵机的具体实现方式。所谓的图灵机模型，由图灵于1935年提出。简单来说就是一个执行机构，能根据输入和自己当前的状态决定下一个状态及输出。人类目前的计算设备都属于图灵机。 因此，量子计算机能解决的问题，传统计算机都能解决；反之亦然。实际上，现在还不知道哪些问题属于量子计算机能解决而传统计算机无法解决的。

另一方面，不是所有的传统算法都能通过量子计算机实现加速。 举个最简单的例子，1+1=2，从算法角度来说就没法加速。就算对能加速的算法，在量子计算机上也有其加速上限，具体速度提升与算法相关。

这次九章的核心意义，在于真正确立了量子霸权，也叫量子优越性（quantum supremacy）。 所谓的量子霸权，是美国加州理工教授John Preskill在2012年造出来的一个词，意思是量子计算机首先要在某些特定算法上无可置疑地超过传统计算机。可以说，实现量子霸权是量子计算领域的一个里程碑，只有证明了量子计算的确有超过传统计算机的实力，哪怕只是在某些特定算法方面，量子计算才有它的发展意义。

实际上，之前有些人并不认可量子计算机真的比传统计算机有优势。还以质因数分解问题为例。截止2020年，使用传统计算机，任意整数的质因数分解做到了829比特。 质因数分解是破解加密算法中著名的RSA算法的基础。 RSA算法可以算得上是当今加密体系的根基，主要用于分发密钥，其意义十分重大。 破解到829比特的整数，大致相当于破解了RSA-250，即250位十进制数。现在RSA加密，最起码需要1024比特长度的密钥才有最基本的安全性，要求高一点的场合得用2048比特。如果有需要的话，RSA算法甚至可以提升到4096比特。传统计算机在可以预期的未来都不能使RSA算法失效。

比如之前说过的Shor算法，2001年IBM在量子计算机上用Shor算法分解了15=3x5。现在Shor算法的世界纪录是2019年IBM使用Q System One分解了35。Q System One是世界上第一个基于电路的量子计算机。堂堂IBM实现的量子计算机，在质因数分解方面，只不过相当于小学二年级上学期学完乘法表的小朋友的水平，你说可气不可气。

使用其他方式，比如NMR（nuclear magnetic resonance）和量子退火技术（quantum annealing），目前量子计算机能分解的最大整数是1,099,551,473,989，只不过13位而已。在据认为比传统计算机有优势的质因数分解领域，量子计算机比传统计算机达到的水平都差得很远，难怪有人对量子计算机并不服气。

量子计算之所以如此不给力，主要是量子比特的状态容易出错，造成量子比特的数量不够，从而表现不出量子计算的优越性。 一般认为，量子比特需要达到50到100之间才能超越传统计算机，建立量子霸权。

2017年，IBM宣布用超级电脑实现了对56个量子比特的模拟。换句话说，要想实现量子霸权，门槛被提升到了56个量子比特以上。2019年，谷歌宣布实现了量子霸权，在54个量子比特中53个可用。不过IBM表示不服，说用传统计算机也能达到同等级的性能。 总之，谷歌宣称的量子霸权是有争议的，没有得到业界的广泛认可。

这次九章的成就，在于实现了远超当前超算能够模拟的水平，可以说毫无争议地实现了量子霸权。九章的76个光子，等效于76个量子比特，远超IBM的超算模拟56个量子比特门槛，所以IBM也没话可说了。 假如退回到二十年前，很多人认为量子计算机根本做不出来。到了今天，大家所争论的已经是量子计算机到底能不能超过传统计算机。 现在实现量子霸权这个世界第一被中国人摘取了，其意义自然是非凡的。

当然，我们要清醒地认识到，当前的量子计算机只是在某些特定领域比传统计算机有优势。 比如九章，在求解5000万次高斯玻色采样问题时，需时200秒。传统计算机处理玻色采样问题是比较困难的，因为模拟要考虑的因素和参数太多。当前最强的超级计算机，日本的富岳，解同样的问题需要6亿年。但假如你说九章比富岳快1百万亿倍，那是不对的。只是在某个具体算法上快这么多，其他多数算法会比富岳慢得多。

为什么在某些特定算法能快上这么多倍呢？ 量子计算机在构建的时候，是基于某种物理系统的。 在求解特定问题时，比如玻色采样，可以类比成做物理实验，则求解的时间相当于做实验的时间。玻色采样本来就是对光子（光子属于玻色子）做的，而九章又基于光来实现量子计算， 因此所谓的求解玻色采样问题跟做物理实验没啥本质区别。这相当于硬件模拟的蒙特卡洛实验，速度快是自然的。

举个浅显的例子。用超级计算机，哪怕模拟最简单的化学实验，通过计算求出化学反应结果，都是很困难的。但你用两个试管，把两种试剂一混合，过了一会就出结果了。然后你宣称，你研发的化学试管计算机比超算牛多少倍。但显然不能这么说，超算能做的很多事你这两个化学试管根本做不了，这样类比本身就有问题。

就算传统计算机，由于系统配置的原因，在执行某些算法时效率很高，其他算法时效率不高，这都是很正常的事情。比如CPU和GPU在计算能力上的差异，不能简单地说孰优孰劣，只能说它们各有千秋，各有各的适用范围。

2017年，潘建伟团队构建的光计算机执行通用算法时，能超过ENIAC的水平。制造于1946年的ENIAC是世界上第一台实用的电子计算机，到了今天任何一款芯片的算力都远超ENIAC。 现在的量子计算机还在和ENIAC做对比，你可以想象今日的量子计算机还多么的原始。假如以从猿到人的过程来形容量子计算的发展状态的话，当下的量子计算机不过刚刚学会了直立行走。要想在人类 社会 中发挥重要的作用，量子计算机需要拥有至少上百个甚至数百个量子比特才行。

总之，量子计算走向实用，还有很长、很长的路要走。但是无论如何，九章的问世，代表了中国在量子计算领域，真正走在了世界的最前头，可喜可贺！