本著分門別類、本刊推薦、專家遴選、寧缺毋濫、敘述事實的原則，從國內外重要科技期刊和科技新聞媒體所報道的中國科技成果中，按科學、技術、工程3 個類別，由《科技導報》編輯部遴選、推薦候選條目，經《科技導報》編委、審稿人等專家通信評選，推選出2016 年度中國重大科學、技術、工程進展30 項。2016 年中國重大技術進展10 項：新型鈷基催化劑可將CO2高效清潔轉化為液體燃料；中國“智造”軟件成功解決腫瘤定位難題；實現零容量信道量子信息的有效傳輸；實現煤基合成氣一步法高效生產烯烴；全球首例單分子電子開關器件問世；中國首次實現衛星“空中加油”；推力最大固體火箭助推發動機試車成功；讓隱形戰機顯形的量子雷達研制成功；“神威·太湖之光”問鼎世界超算冠軍；發明病毒直接轉化疫苗新技術。
1）新型鈷基電催化劑可將CO2轉化為液體燃料
將CO2在常溫常壓下電還原為碳氫燃料，是一種潛在的替代化石原料的清潔能源策略，有助于降低CO2 排放對氣候造成的不利影響。實現CO2電催化還原的關鍵瓶頸問題是將CO2活化為CO2·—自由基負離子或其他中間體，這需要異常高的過電位。最近報道顯示基于金屬氧化物還原得到的金屬比通過其他方法制備的金屬催化活性要高，但尚不清楚金屬氧化物如何改變金屬的電催化活性，這主要是因為界面和缺陷等微結構的存在影響了CO2還原的活性。
為評估金屬和金屬氧化物2種不同催化位點的作用，中國科學技術大學謝毅和孫永福研究組制備了4原子厚的鈷金屬層和鈷金屬/氧化鈷雜化層，發現在低過電位下，相對于塊材表面的鈷原子，原子級薄層表面的鈷原子具有更高的生成甲酸鹽的本征活性和選擇性（圖1）。而部分氧化的原子層進一步提高了它們的本征催化活性，在過電位僅為0.24 V 實現了10 mA/cm2 的電流輸出超過40 h，且其甲酸鹽選擇性接近90%，這超過此前報道的金屬或金屬氧化物電極在同等條件下得到的結果。相關研究結果發表在2016年1月7日《Nature》[529(7584):68-71]。
圖1 4 原子厚的鈷金屬層和鈷金屬/氧化鈷雜化層制備路線圖（圖片來源：《Nature》）
該研究工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩定的CO2電還原催化劑，將有助于減少CO2的排放，緩解全球變暖。
2）中國“智造”軟件成功解決腫瘤定位難題
腫瘤精準定位是放療的關鍵問題之一。放療位置偏差不僅會導致腫瘤細胞不能被有效殺滅，還會增加正常細胞被破壞的風險。目前國產圖像引導放療系統采用單一模式引導，在應用范圍和適用病例方面受到較大限制。而國外同類產品價格昂貴，極大地限制了中國精準放射治療的普及。
2016 年1 月17 日報道，中國科學院合肥物質科學研究院核能安全技術研究所成功研發出多模式圖像引導精準放射治療軟件系統（ARTS-IGRT，圖2），系統發展了X射線影像配準、基于紅外信號的實時定位跟蹤等方法技術，可以實現亞毫米級的腫瘤定位，比原有系統精度提高了一個量級，達到國際最先進商用產品水平，打破國外產品壟斷地位。
圖2 中國“智造”多模式精準放療系統ARTS-IGRT（圖片來源：中國科學院合肥物質科學研究院）
ARTS-IGRT 系統具有低成本、方便快捷的外掛方式，因此能夠與醫院已有放療設備進行無縫對接，有助于迅速提高現有設備的照射精度和治療效果，對于提高中國放療裝備的技術水平和在臨床機構的普及程度，解決患者看病難、看病貴的問題具有重要作用，目前已獲兩項國家發明專利。
3）實現零容量信道量子信息的有效傳輸
信道容量是指信道在噪聲環境下有效傳輸信息的能力，是通信領域最基本的問題。量子信道不僅可以傳輸經典信息，還可以傳輸私密信息和量子信息，每種情況對應一個信道容量。標準的量子信道理論與經典理論相似，都是假定信道之間是相互獨立的，但真實的量子信道并非如此。
中國科學院量子信息重點實驗室李傳鋒、許金時研究組及其合作者，選擇具有極強的相位消相干、原本不能用來有效傳輸量子信息的保偏光纖進行深入研究，利用量子通信領域最近發展的理論工具來度量光纖的信道容量。首先實驗測定一根120 m左右長度的保偏光纖的量子容量為零，隨后對2根相同的保偏光纖進行編碼，構成一個量子信道干涉儀，從而把量子容量為零的保偏光纖激活。激活后兩2個保偏光纖不再獨立，而是相互關聯起來構成一個無消相干子空間，從而有效地進行量子信息傳輸。為了提高光纖噪聲的關聯度，將2根光纖纏繞在一起，實驗測得2根量子容量為零的保偏光纖聯合使用時的量子容量大于0.6（理想的量子信道容量為1）。量子信道干涉儀內有2個輸入口和2個輸出口，通過改變干涉儀內半波片的設置，可以實現量子信息在噪聲信道中的單向傳輸或雙向傳輸（圖3~圖4），還進一步驗證了量子糾纏在這種裝置下傳輸的可靠性。相關研究成果2016年1月8日發表在《ScienceAdvances》[2(1): e1500672-e1500672]。
圖3 實驗裝置（圖片來源：《Science Advances》）
圖4 標準量子信道理論（a）與干涉激活技術（b）的對比（圖片來源：《Science Advances》
該成果演示了一種在噪聲信道中傳輸量子信息的有效方法，可用于不同量子系統的通信和對接，為構建小型量子糾纏網絡提供了新思路，為豐富量子通信理論框架提供了新的物理平臺。
4）實現煤基合成氣一步法高效生產烯烴
烯烴是與人們日常生活息息相關的重要化學品。中國是烯烴消費大國，其傳統的生產原料主要依賴石油，這不僅使烯烴的生產成本居高不下，同時也嚴重危及到了能源安全。20世紀初，德國科學家費舍爾和拓普希提出了一條由煤經水煤氣變換生產烯烴的Fischer-Tropsch（F-T）過程，但是，該過程原理上會產生大量的副產物，同時還需要消耗大量的水，嚴重阻礙了該技術發展和實際應用。
中國科學院大連化學物理研究所包信和和潘秀蓮研究團隊從納米催化的基本原理入手，開發出了一種過渡金屬氧化物和有序孔道分子篩復合催化劑，成功實現了煤基合成氣一步法高效生產烯烴，C2到C4低碳烯烴單程選擇性突破了F-T 過程的極限，一躍超過80%。同時，反應過程完全避免了水分子的參與，從源頭回答了李克強總理提出的“能不能不用水或者少用水進行煤化工”的詰問。該成果在納米尺度上實現了對分別控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心的有效分離，使在氧化物催化劑表面生成的碳氫中間體在分子篩的納米孔道中發生受限偶聯反應，成功實現了目標產物隨分子篩結構的可控調變（圖5）。相關研究結果發表在2016年3 月4 日《Science》[351(6277):1065-1068]。
圖5 CO 活化和中間體偶聯等2 種催化活性中心有效分離反應過程示意（圖片來源：中國科學院大連化學物理研究所）
5）研制出首個真實穩定可控的單分子電子開關器件
利用單分子構建電子器件對突破目前半導體器件微小化發展的瓶頸意義重大。實現可控的單分子電子開關功能是驗證分子能否作為核心組件應用到電子器件中的關鍵。自20世紀70年代以來，設計構筑穩定可控的單分子器件，探索其與微電子工藝的兼容性，并獲得真正意義上的分子電子開關，在當代納米電子學研究中具有重大的科學意義。
北京大學北京分子科學國家實驗室郭雪峰研究組原創性地發展了以石墨烯為電極、通過共價鍵連接的穩定單分子器件的關鍵制備方法，解決了單分子器件制備難、穩定性差的難題。在此基礎上，他們與北京大學電子學系徐洪起研究組以及美國賓夕法尼亞大學Nitzan等合作，通過功能導向的分子工程學成功地克服了二芳烯分子與石墨烯電極間強耦合作用的核心挑戰性問題，從而突破性地構建了一類全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件，世界首例真實穩定可控的單分子電子開關器件在中國誕生（圖6）。石墨烯電極和二芳烯分子穩定的碳骨架以及牢固的分子/電極間共價鍵鏈接方式使這些單分子開關器件具有空前的開關精度、穩定性和可重現性，在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術等方面具有巨大的應用前景。相關研究結果發表在2016 年6 月17 日《Science》[352(6292):1443-1445]。
圖6 可逆型石墨烯-二芳烯-石墨烯橋聯體結構的單分子光電子開關工作原理
示意（圖片來源：《Science》）
6）中國首次實現衛星“空中加油”
衛星在軌加注類似飛機空中加油，通過直接傳輸的方式對衛星進行氣、液補給，可大幅延長衛星在軌壽命，提高衛星機動能力。據測算，如果給靜止軌道上的衛星補給60 kg燃料，即可延長衛星壽命12個月，創造近億元的經濟價值。因此，衛星在軌加注一直是國際航天領域的研究熱點，目前僅有美國等極少數國家開展過此項試驗。
2016年6月25日20時00分，由國防科技大學自主設計研制、中國首個衛星加注飛行試驗系統——“天源一號”搭載長征7號運載火箭（圖7），在文昌衛星發射中心發射升空，準確進入預定軌道。隨后幾天，“天源一號”根據預定計劃進行了衛星在軌加注核心關鍵技術試驗與驗證，成功完成微重力條件下流體管理與加注、高精度推進劑測量等9項在軌試驗，獲取了3種貯箱加注全過程的完整視頻和相關試驗數據，加注過程穩定，測量與控制精度高，實測結果滿足設計指標要求，為中國掌握衛星在軌加注技術奠定了堅實基礎。
圖7 天源一號隨長征七號運載火箭升空（圖片來源：新華網）
近年來，國防科技大學聯合國內多家優勢單位，對“衛星在軌加注技術”進行了深入系統研究，在“微重力條件下流體遷移及穩定性分析”等理論研究方面取得重要突破，先后攻克衛星可靠對接、管路高效密封、推進劑穩定傳輸及精確測量等一系列關鍵技術，研制出30余臺套地面原理樣機，獲得發明專利20余項，部分技術指標達到國際先進水平。
7）推力最大固體火箭助推發動機試車成功
隨著人類和平利用太空步伐的不斷加快、深空探測領域的進一步拓展，世界主要航天大國都在致力于加快發展重型運載火箭技術和捆綁固體助推器的大型運載火箭技術。由于固體助推發動機具有結構簡單、可靠性高和機動性好等優勢，采用固體助推器與液體芯級發動機組合，可以充分發揮固體大推力、液體長時間高比沖的技術優點，從而實現運載火箭動力系統技術性與經濟性的完美結合。國外大型運載火箭大都把固體動力作為主要動力之一，而中國在此領域尚屬空白，與國際先進水平差距明顯。
2016年8月2日，由中國航天科技集團四院自主研制的中國直徑最大、裝藥量最大、推力最大的固體火箭發動機——民用航天三米兩分段大型固體火箭助推發動機地面熱試車圓滿成功（圖8）。試驗的成功，進一步驗證了中國大型分段式固體火箭發動機設計方案及其關鍵技術，標志著中國已經掌握大型固體火箭助推發動機關鍵技術，也表明中國新一代運載火箭固體助推技術又向前邁進了一大步。
圖8 直徑三米兩段技術驗證發動機（圖片來源：央視新聞）
2013 年底，民用航天三米兩分段大型固體助推技術集成演示驗證項目正式獲得國家立項。攻克了大直徑固體發動機燃燒室分段對接技術、長時間工作噴管熱結構設計技術、分段式固體發動機燃燒穩定性技術等多項重大關鍵技術及40余項技術難點，采用并驗證了新工藝10余項，建立了新的測試與試驗方法20余項，形成技術專利10多項。未來，三米發動機應用于重型運載火箭固體助推器中，可實現近地軌道運載能力達到100 t以上，滿足中國載人登月、深空探索的發展需求。
8）中國首部基于單光子檢測的量子雷達研制成功
量子雷達探測技術是近年來國內外的研究熱點，在雷達探測與成像識別領域具有重要的軍事應用價值。2016年9月12日報道，中國首部基于單光子檢測的量子雷達系統研制成功。
該量子雷達系統由中國電子科技集團14所研制，在中國科學技術大學、中國電子科技集團27所及南京大學等協作單位的共同努力下，完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗證，并且在外場完成了真實大氣環境下的目標探測試驗，獲得百公里級探測威力，探測靈敏度極大提高，指標均達到預期效果，取得階段性重大研究進展與成果。
鑒于量子態傳播所具有的特性，該量子雷達利用量子態作為信息的載體，從而有效降低系統的功耗，可以應用于多種輕型平臺；其次，以量子態作為接收對象，利用量子態特性，可以豐富目標的探測手段，提高對低可見目標的探測性能。利用量子態具有的高階相關性，可以通過量子態關聯抑制雜波干擾，同時在現階段復雜電磁環境下具有較強的可靠性、保密性。總之，利用量子態所具有的特性，可以解決傳統雷達在低可見目標的檢測、電子戰條件下的生存、平臺載荷限制等諸多方面的瓶頸問題，從而全方面提升雷達的各項性能指標（圖9）。
圖9 量子雷達的技術優勢（圖片來源：觀察者網）
9）“神威·太湖之光”問鼎世界超算冠軍
在2016年6月20日德國法蘭克福國際超算大會（ISC）公布的全球超級計算機500強榜單中，國家并行計算機工程技術研究中心研制、使用中國自主芯片制造的“神威·太湖之光”（圖10~圖11）以超第2名近3倍的運算速度奪得第一，取代“天河二號”登上榜首，中國超算上榜總數量也有史以來首次超過美國名列第1。
圖10 “神威·太湖之光”超級計算機（圖片來源：新華網）
圖11 “神威·太湖之光”所使用的“申威26010”眾核處理器（圖片來源：新華網）
2016年11月14日，新一期全球超級計算機TOP500榜單公布，“神威·太湖之光”以較大的運算速度優勢蟬聯冠軍。算上此前“天河二號”的六連冠，中國已連續４年占據全球超算排行榜的最高席位。
2016年11月18日，在美國鹽湖城舉行的2016年全球超級計算大會上，由中國科學院軟件研究所、清華大學、北京師范大學、國家并行計算工程技術研究中心和國家超級計算無錫中心和完成稱的應用成果“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”一舉獲得國際高性能計算應用領域最高獎——戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize），實現了中國高性能計算應用在此獎項上零的突破，成為中國高性能計算應用發展的一個新的里程碑。
“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”應用團隊設計并開發了一種新的用于大氣動力框架的高可擴展全隱式求解器，世界上首次在大規模異構系統上實現了高效和千萬核可擴展的全隱式求解，并將模擬分辨率提升至500 m以內，未來有望應用于全球高分辨率氣候模擬和高精細數值天氣預報。
該課題在應用與算法兩個層面實現了重大突破。在應用層面，大氣動力過程的模擬速度較美國地球物理流體力學實驗室（GFDL）開發的美國下一代大氣模擬系統AM3的計算效率提升近1個數量級，全隱式求解方法是未來超高分辨率大氣模式構建的一種新選擇；在算法層面，實現了目前世界上第一個可擴展到千萬核、峰值效率超過6%的隱式求解器，較2015年戈登貝爾獎獲獎工作在并行度和峰值效率上均提升一個數量級。
10）發明病毒直接轉化疫苗新技術
流感、艾滋病、SARS和埃博拉出血熱等致命性傳染病及其周期性爆發，時刻危害著人類健康和社會穩定，其幕后黑手是結構多樣、功能復雜且變異快速的病毒，而疫苗是預防病毒感染的有效手段。當前臨床使用的疫苗或因病毒滅活致免疫原性和安全性差，或因制備工藝復雜而不通用，或因病毒突變致免疫逃逸失效，從而使人們往往談病毒色變。
北京大學藥學院天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室周德敏、張禮和團隊以流感病毒為模型，發明了人工控制病毒復制從而將病毒直接轉化為疫苗的技術（圖12），該技術在保留病毒完整結構和感染力的情況下，僅突變病毒基因組的一個三聯碼，使流感病毒由致命性傳染源變為了預防性疫苗，再突變3個以上三聯碼，病毒由預防性疫苗變為治療病毒感染的藥物。并且隨著三聯碼數目的增加而藥效增強，該技術不僅使疫苗研發不再復雜，而且擺脫了對病毒生物學知識獲得的依賴，并適用于幾乎所有病毒。這一發現顛覆了病毒疫苗研發的理念，成就了活病毒疫苗的重大突破。相關研究成果2016年12月2 日發表在《Science》[354(6316):1170-1173]。
圖12 重組病毒流程（圖片來源：《Science》）
（責任編輯 劉志遠）
本文作者：陳廣仁，劉志遠，田恬，祝葉華
作者單位：《科技導報》編輯部
注：本文發表在2017年第3期《科技導報》，歡迎關注。
歡迎轉載：http://www.kanwencang.com/shehui/20170222/105256.html
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