重大科技事件22项

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1 1 希格斯粒子搜寻的科技内涵及意义 未来 10 年世界可能发生的 现代物理学有两大理论 : 广义相对论和标准 模型 广义相对论用来解释空间 时间和引力的 问题, 标准模型是描述强力 弱力及电磁力这 3 种 基本力及组成所有物质的基本粒子的理论 标准 模型根据自旋将粒子分为费米子 ( 包括夸克与轻 子 ) 和玻色子 ( 包括胶子 光子 W 粒子 Z 粒子 希 格斯粒子 ) 两大类, 根据标准模型的预言, 这两大 类粒子共有 61 个 [1] 除了希格斯粒子外, 其他粒 子均已得到实验数据的支持和验证 希格斯粒子是标准模型中最后一种待被发现 的粒子, 自旋为零, 具有质量, 不带电荷, 非常不稳 定 希格斯粒子是整个标准模型的基石, 如果希 格斯粒子不存在, 意味着整个标准模型将失效 此外, 希格斯粒子被认为是基本粒子的质量来源, 如果希格斯粒子存在, 就能很好地解释一些基本 粒子具有质量而另一些没有的问题 22 个重大科技事件 希格斯粒子是否存在将得到确认 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆总馆交叉与重大前沿团队 希格斯粒子的特点决定了搜寻它难度极大 : 黄龙光 ( huanglg@mail.las.ac.cn) 冷伏海 边文越 审稿专家 : 中科院高能物理所姜晓明研究员 质量大, 衰变快 质量大意味着制造希格斯粒子 需要极大的碰撞能量, 因此必须建造造价高昂的 超级粒子加速器来提供这样大的能量 然而, 即 使碰撞产生了希格斯粒子, 它也会在十亿分之一 秒的时间内衰变为其他粒子, 从而难以检测到 因此, 物理学家使用非常高精度的探测器来进行 光电信号的收集, 通过一系列复杂的运算, 从海量 的数据和探测轨迹中筛除大量的普通粒子信号, 挖掘出由希格斯粒子衰变而来的粒子信息, 从而 推导出希格斯粒子是否存在 2 希格斯粒子搜寻的进展 [2] 希格斯粒子是彼得 希格斯于 1964 年提出, 并于 1966 年推导出希格斯粒子的衰变机制 [3] 20 世纪 80 年代早期, 欧洲核子研究中心 (CERN) 发 现 W 和 Z 玻色子, 证实了理论预期, 拉开了实验寻 找希格斯粒子的序幕 一开始, 物理学家们不知 道希格斯粒子的质量, 经过大量的实验, 希格斯粒 子的质量范围被大大缩小 80 年代中期,CERN 建造了长达 27km 的大型正负电子 (LEP) 对撞机 * 修改稿收到日期 :2013 年 9 月 9 日 环, 希望能获得质量略高于 100 GeV 的希格斯粒 546

2 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 子 随后, 美国物理学家提出要求建造极为 昂贵的超导超级对撞机 (SSC), 希望能产生 质量高达 1 TeV 的希格斯粒子 ( 希格斯粒子 理论上能达到的最大质量 ), 然而美国国会 在 1993 年停止了该项目, 当年的预算超过 100 亿美元 [4] 1995 年, 费米实验室发现质 量接近 174 GeV 的顶夸克, 根据标准模型, 这意味着希格斯粒子的质量应低于 200 GeV 90 年代末,LEP 对撞机的能量已超出 了其设计值 200 GeV, 但物理学家们在 4 大 探测器中仍未发现任何表明希格斯粒子出 现的证据, 此时希格斯粒子质量下限已提高 至近 108 GeV 2000 年,LEP 对撞机上的 ALEPH 实验发现 115 GeV 处存在新粒子的 迹象, 但综合 LEP 上的另外 3 个实验后则无 显著信号 随后 LEP 对撞机关闭, 进行长达 10 年的大型强子对撞机 (LHC) 建设 LEP 对撞机关闭后, 美国费米实验室一 枝独秀 然而, 由于费米实验室 Tevatron 加 速器的能量和亮度不够, 直至 2011 年 9 月 Tevatron 加速器永久关闭时, 费米实验室除 了排除了 156 GeV 和 177 GeV 这个区间的 [5] 质量外, 几乎没有新的重大的发现 2010 年 LHC 开始记录数据 LHC 实验 中, 探索希格斯粒子的实验包括超环面仪器 (ATLAS) 和紧凑 μ 子线圈 (CMS)2 个实验 2011 年, 通过数次实验, 将希格斯粒子的质 量范围缩小到 GeV [6] 2012 年 7 月,CERN 宣布,ATLAS 和 CMS 发现质量为 GeV [7,8] 的新玻色子, 置信度为 5 个 标准差 ( 即 % 的置信度, 新粒子发 现的判据 ),CERN 将该粒子称为 类似希格 斯粒子 2013 年 3 月,ATLAS 和 CMS 在分 析了更多的数据后, 宣布该粒子 看起来越 来越像希格斯粒子 [9] 尽管如此, 要确定希格斯粒子的存在, 还需更多的数据 目前,LHC 处于关闭升 级期,2015 年升级完毕后, 其能量将增加 1 倍, 能产生更多的碰撞和数据, 将有助于确认和进一步了解希格斯粒子 3 中国科学家的作用 在国家科技部 自然科学基金委和中科院的共同资助下, 我国科学家自 1999 年起就开始参与 ATLAS 和 CMS 国际合作 参与 ATLAS 实验的机构包括 : 中科院高能物理所 中国科技大学 南京大学 山东大学和上海交通大学 参与 CMS 实验的机构有 : 中科院高能物理所 北京大学和中科院上海硅酸盐所 在发现 类似希格斯粒子 的工作中, 我国科学家做出了重大贡献 在 ATLAS 实验中, 液氩光子电子量能器 精密 μ 子漂移室探测器 谱仪触发系统电子学检测 网格计算系统等包含了南京大学 中科院高能所 中国科技大学等单位的科学家完成的重要器件, 山东大学建造了 400 台 ATLAS 端盖 μ 触发探测器 在 ATLAS 实验的希格斯玻色子的物理分析结果方面, 我国科学家在光子触发效率研究, 测量双光子希格斯玻色子重建本底噪音, 四轻子衰变 H ZZ* 41 研究中的数据生产 信号事例筛选与基于数据的 Z+jet 本底分析, 通过 H γγ 发现希格斯粒子的矢量玻色子融合产生过程,H Zγ 分析等 [10] 方面做出了重要贡献 在 CMS 实验中, 我国科学家也做出了重要贡献 CMS 实验 1/3 的端盖缪子探测器和端盖电磁能量器的所有晶体, 均由我国科学家研制提供 特别是实验中用多变量分析方法区分信号与本底 提高希格斯粒子寻找的灵敏度方面, 采用了 CMS 中国组的方法, 灵敏度提高了 3% 参考文献 1 Sylvie Braibant,Giorgio Giacomelli,Maurizio Spurio. 院刊 547

3 Particles and Fundamental Interactions: An Introduction with up to 4.9 fb-1 of pp Collisions Data Taken at a center-ofmass energy of 7 TeV with the ATLAS Experiment at the LHC. to Particle Physics. Italy:Springer,2009, Peter W Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. Physical Review Letters,1964,13 (16): ATLAS Collaboration. Observation of a new particle in the search 3 Peter W Higgs. Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons. Physical Review,1966,145 (4): the LHC. Physics Letters B,2012,716 (1):1-29. for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at 4 Michael Riordan. The Long Road to the Higgs Boson. 8 CMS Collaboration. Observation of a new boson at a mass of 125 icsworld.com/cws/article/indepth/2012/aug/09/the-long-road-to- the-higgs-boson ,716 (1): GeV with the CMS experiment at the LHC. Physics Letters B, 5 CDF & D0 Collaborations. Combined CDF and D0 Upper Limits 9 CianO'Luanaigh. New results indicate that new particle is a Higgs on Standard Model Higgs Boson Production with up to 8.6 fb-1 of boson. Data. arxiv: [hep-ex], ATLAS Collaboration. Combination of Higgs Boson Searches 10 李大庆. 中国科学家做出了重要贡献. 科技日报, 中微子振荡实验有望加快破解 反物质消失之谜 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆总馆交叉与重大前沿团队吕晓蓉 (E-mai:lvxr@mail.las.ac.cn) 李泽霞审稿专家 : 中科院高能物理所姜晓明研究员 1 中微子研究在粒子物理学中占有重要 地位 [1] 1930 年, 奥地利物理学家泡利为了解释 β 衰 变中能量不守恒的问题而提出中微子假设, 但由 于中微子不带电荷 质量极小 ( 小于电子质量的百 万分之一 ) 且几乎不与其他物质相互作用 ( 只参与 弱相互作用和引力作用 ) 而很难被探测到 因此 长期以来, 中微子只是在理论物理学家的计算方 程中出现, 而实验上始终无法证实它的存在 1934 年, 意大利物理学家费米提出了包含中微子 的 β 衰变理论, 与实验数据定量符合 1941 年, 我 国物理学家王淦昌在美国 物理评论 杂志上发表 关于探测中微子的建议 文章 美国物理学家艾 伦根据王淦昌的方案进行的实验于 1942 年间接证 实了中微子的存在 1956 年, 美国物理学家莱因斯等人利用核反应堆作为强中微子源, 在实验上首次直接观测到中微子 ( 电子反中微子 ), 并因此而获得 1995 年诺贝尔物理学奖 中微子物理研究在历史上共获得 3 次诺贝尔奖, 而该领域仍将成为未来非常活跃的研究领域 加速器中微子实验 大气中微子实验以及反应堆中微子实验的竞争将会愈加激烈, 例如, 日本的 T2K 实验和美国的 NOnA 实验, 计划中的中国江门中微子实验 美国 LBNE 实验 南极 PINGU 实验 日本 Hyper-K 实验 印度 INO 实验等, 科学界期待着更为辉煌的成就 纵观科学发展的历程, 每一次重大基础科学的发现都引发了技术的新飞跃 目前科学家已经开始展望未来中微子通讯的诱人前景以及用中微子探测地球内部地质构造的 548

4 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 中微子地球断层扫描技术 中微子未来研究对粒子物理与宇宙学理论的突破以及对社会 经济和文化产生的深远影响也许将超越人们的想象 2 中微子振荡成为中微子研究的核心问题 20 世纪 60 年代, 中微子研究进入崭新阶段 1962 年, 美国物理学家莱德曼 施瓦茨和斯坦伯格等提出利用加速器产生中微子, 实验结果发现了第二种中微子 :µ 中微子 这一杰出发现验证了轻子的二重态结构, 为弱电统一理论的建立奠定了基础, 该项成果荣获 1988 年诺贝尔物理学奖 1957 年, 前苏联理论物理学家庞帝柯夫首先提出 中微子振荡 猜想, 认为中微子与反中微子在一定条件下可以相互转化 局限于历史条件, 这一想法并不准确, 但其思想导致了现代的中微子振荡理论 : 如果中微子质量不严格为零, 且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同, 根据量子力学原理, 不同的中微子之间将可以相互转换 这也是判断中微子质量是否为零的方法 中微子的质量成为中微子研究中的一个关键议题 粒子物理标准模型认为, 中微子的质量为零, 也就是说, 中微子质量不为零将导致超出标准模型的新物理 1968 年, 美国科学家戴维斯发现太阳中微子 失踪 现象, 即到达地球的太阳中微子数只有理论预期值的 1/3 印度的宇宙线实验 (20 世纪 60 年代 ) 以及美国 IMB 和日本神冈实验 (1985 年 ) 发现大气中微子反常现象 日本神冈探测器探测到来自超新星 SN 1987A 的中微子 (1987 年 ) 1998 年, 日本物理学家小柴昌俊领导的超级神冈实验 (Super-K [2] ) 证实大气中微子振荡 2000 年, 美国费米实验室发现第三种中微子 :τ 中微子 2001 年加拿大 SNO [3] 实 验和日本反应堆 KamLAND [4] 实验进一步确认了太阳和反应堆中微子振荡现象 2002 年日本 K2K 加速器实验则确认大气中微子振荡 戴维斯和小柴昌俊在探测宇宙中微子方面所取得的杰出成就共同荣获 2002 年诺贝尔物理学奖 这一成就催生了中微子天体物理学的诞生, 打开了人类观测宇宙的又一新 窗口 中微子探测技术作为一种新的天文观测手段, 已成为研究早期宇宙形成 超新星爆发 恒星结构和演化以及宇宙暗物质和暗能量的新 探针 3 大亚湾中微子实验将我国粒子物理学研究水平推向世界最前沿 2003 年前后, 中微子振荡现象通过众多的实验证据得以确立 中微子振荡与中微子质量相关联, 成为中微子研究中的核心问题 之前发现的中微子振荡可归纳为两大类 : 大气中微子振荡和太阳中微子振荡 中微子振荡存在 3 个未解决的问题 : 寻找第三种振荡 (sin 2 2θ 13) 质量顺序 (Δm 2 32 的符号 ) 问题以及对称性破缺 (δ CP) 问题 能否用现有实验技术研究后两个问题与 θ 13 的数值大小有关, 因此 θ 13 也决定了中微子物理实验的未来发展方向 2003 年, 美国物理学会将利用反应堆测量混合角 θ 13 列为中微子振荡研究的第一优先级研究方向 世界各国共提出了 8 个实验建议方案, 其中有 3 个最终得以进行, 包括法国 Double Chooz 实验 中国大亚湾实验和韩国 RENO 实验 2003 年, 中科院高能物理所的科研人员提出利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子开展中微子振荡实验, 提出了实验总体方案 由于大亚湾核电站的高功率 ( 世界第二 ) 及其有利的地理条件 ( 紧邻高山 ), 使得大亚湾实验的预期精度达到了目前最高的国际设计精度, 可将 sin 2 2θ 13 的测量精度提高到 0.01 院刊 549

5 利用大亚湾反应堆测量 θ 13 是我国粒子物理发展的一个重大机遇 2006 年, 大亚湾中微子实验项目获得批准立项, 是我国基础科学领域目前最大的国际合作项目, 中国内地总投资 1.7 亿元, 由中国 美国 俄罗斯 捷克 中国香港和台湾科学家共同参与 2011 年 12 月 24 日 2012 年 2 月 17 日进行 [5] 的中微子实验测量结果表明, 中微子第三种振荡几率为 9.2%, 误差为 1.7%, 从而首次发现了这种新的中微子振荡模式 该项重大研究成果荣登美 [6] 国 科学 杂志 2012 年度十大科学突破, 其评价为 如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子, 那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来 大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻 大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳研究员在新闻发布会上指出, 这一重要研究成果是对物质世界基本规律的一项新的认知, 对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用, 并将有助于破解宇宙中 反物质消失之谜, 即宇宙中物质 - 反物质不对称现象 中国大亚湾中微子实验在激烈的国际竞争中率先取得重大突破性成果, 将我国粒子物理学研究水平推向世界最前沿 中国有可能在未来 年内在国际中微子物理研究领域占据重要地位 江门中微子实验 ( 原称大亚湾中微子实验二 期 ) 的目标已瞄准 质量顺序问题, 以及混合参数精确测量 超新星中微子等多个前沿重大目标, 未来的加速器实验将有望解决 CP 对称破缺角 的测量, 而中微子的 CP 破坏很有可能与宇宙早期的物质起源问题有关 中微子其他待解决的问题还有不少 例如, 中微子是 Dirac 或 Majorana 费米子, 即中微子是否是自己的反粒子将是粒子物理的一个根本问题 ; 中微子的绝对质量仍然未知 ; 中微子磁矩测量 超新星中微子研究 宇宙大爆炸中微子探测等仍将成为粒子物理 天体物理和宇宙学共同关注的研究前沿与热点方向, 等等 参考文献 1 Pauli W. Handbuch der Physik. Springer,1933,(24):Part I. 2 Fukuda S et al. Super-Kamiokande Collab. Phys. Rev. Lett., 1998, (81): Q. R. Ahmad et al., SNO Collab. Phys. Rev. Lett., 2001,(87): Eguchi K et al. KamLAND Collab. Phys. Rev. Lett., 2003,(90): An F P et al. Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay. Phys. Rev. Lett.,2012,(108): Cho A. Key Neutrino Measurement Signals China's Rise. Science, 2012,(335): 暗物质粒子的探测和研究可能取得突破 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆总馆空间科技团队王海霞 ( wanghx@mail.las.ac.cn:) 王海名审稿专家 : 中科院高能物理所张新民研究员 1 作为研究宇宙大尺度结构形成过程的要 素, 暗物质的存在已被广泛接受 暗物质 是指宇宙中具有引力效应, 但是不 会直接和光发生作用的物质, 被认为是由一种超出粒子物理标准模型的全新粒子构成 人们对其粒子物理的性质还知之甚少 20 世纪初物理学的 两朵乌云 以太说和黑体辐射 推翻了经 550

6 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 典物理理论, 催生了量子力学和相对论 与之类似, 对与暗能量并称为 21 世纪物理学的 两朵乌云 的暗物质的探测和研究, 很可能产生新的物理学革命 现代意义上的暗物质概念最早是由瑞士天文学家弗里兹 扎维奇提出的 1933 年, 扎维奇研究后发现星系团中星系运动的速度弥散, 根据所测得的星系速度弥散并应用维里定理得到的星系团质量比从星系团中发光星体推断出的质量大 400 倍左右, 因此推测星系团中可能存在不发光的物质 20 世纪 70 年代, 美国天文学家薇拉 鲁宾通过对旋涡星系的详细观测, 使得 暗物质 这个概念得到了科学界的认可 2006 年 钱德拉 X 射线望远镜 (Chandra) 观测到两个星系团的合并, 发现星系团中发光的热气体和两个星系的质量中心并不重合, 这一现象 [1] 被认为是暗物质存在的直接证据 近年来, 由于 威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 和 普朗克 (Planck) 卫星对宇宙微波背景辐射各向异性的精确测量, 我们可以通过拟合卫星数据精确确定宇宙中暗物质的总量 最新拟合结果是暗物质在宇宙中所占的组分约为 26.8%, 约占宇宙中物质总量的 85% [2] 从暗物质的概念提出至今, 人们在各种尺度的天文观测中都发现了暗物质存在的证据 2 暗物质粒子探测手段多样, 但至今尚无明确的存在定论 由于暗物质粒子不发光且不直接与光发生作用, 普通的光学观测无法发现它的踪迹 目前大致有 3 种探测暗物质粒子的方法 : (1) 在加速器上 创造 暗物质粒子并研究其物理特性 虽然被 创造 出来的暗物质粒子不能被直接观察到, 但通过其他可以 观测到的粒子能够推测出是否有暗物质粒子产生, 同时在 创造 暗物质粒子的过程中会带走能量, 因此从丢失的能量及其分布可以推测暗物质的某些性质 迄今为止, 所有的加速器实验尚未发现暗物质粒子的迹象 正在进行升级改造的欧洲核子中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 将在 2015 年重新启动, 届时其质子束流的总能量可达 14 万亿电子伏特, 有望 创造 出少 [3] 量暗物质 (2) 直接探测法 该方法是直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号, 由于发生碰撞的概率很小, 产生的信号也很 微弱 为了降低本底, 通常需要把探测器放置在很深的地下 暗物质直接探测实验是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式 目前的实验精度下, 只可能探测到弱相互作用重粒子 (WIMP) 的信号, 而更弱的信号, 如轴子 超对称引力子是无法用这种方法探测的 目前国际上约有几十个科学小组在设计实验以期发现暗物质信号, 如氙 100 (XENON100) 低温暗物质搜寻 (CDMS) 计划等 继 2009 年宣布所发现的 2 个事件可能与暗物质粒子有关之后,2013 年 4 月 13 日, 美国的地下暗物质实验 超级低温暗物质搜寻 (Super-CDMS) 计划项目组又报告了 3 个疑似暗物质事件, 计算结果表明, 其是 WIMP 的可能性为 99.81%, 但由于只有 3 西格玛水平, 并不会作为暗物质证据进行发 [4,5] 布 (3) 间接探测法 是指通过测量暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定高能粒子如伽玛射线 正电子 反质子 中微子等的能谱, 发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹 由于地球大气的影响, 在地面上高精度测量粒子能谱的难度较大, 实验最好在空间进行 但受到观测精度限制, 费米伽马射线空间 院刊 551

7 望远镜 (Fermi) 反物质探测和轻核天体物理学载荷 (PAMELA) 和 先进薄电离量能器 (ATIC) 实验均未探测到确定的暗物质粒子 空间探测的关键是选择合适的探测粒子对象, 且最好使用可以探测所有种类粒子的探测器, 即大型磁谱仪 2013 年 4 月, 空间中首个测量精度达到 1% 的实验 阿尔法磁谱仪 (AMS-02) 项目宣布在宇宙射线事件中探测到 40 万个能量在 5 亿 亿电子伏之间的正电子, 该实验结果符合宇宙中暗物质粒子碰撞湮灭产生正电子的理论, 但目前还不能 [6,7] 排除这些暗物质来自脉冲星的可能性 3 暗物质粒子探测和研究有望推动新的物理学革命 目前, 世界主要科技强国对暗物质粒子的探测和研究都很重视 例如, 美国国家科学基金会 美国国家航空航天局以及美国能源部在 2006 年联合成立了 暗物质与暗能量研究评估小组, 指出解决暗物质之谜的重要性尤为突出, 并强调美国必须立刻加大投入, 保持在该领域的领先地位 2008 年, 欧洲推出了天体粒子物理路线图, 什么是暗物质 位居未来 10 年重点解决的 6 个重要基 [8] 本问题之首 利用地下 地面大型探测装置及空间探测实验, 探测到暗物质粒子并揭开暗物质之谜, 将是 21 世纪人类最伟大的科学发现之一 在暗物质的直接探测实验方面, 世界各国已广泛开展的实验有 CDMS XENON 宰普林 (ZEP- LIN) 爱德维斯 (EDELWEISS) 等, 而且其灵敏度在不断提高 在这方面,2008 年我国规划了路线图, 开始建设世界上埋深最深的地下实验室 中国锦屏地下实验室, 对于开展高精度的暗物质直接探测实验具有重要的意义 目前, 清华大学等基于高纯锗的中国暗物质实验 (CDEX), 上海交通大学等基于液氙的粒子和天体粒子氙观测站 (PANDAX) 实验是该实验室首批开展的两个暗物 [9] 质直接探测实验 在暗物质粒子间接探测方面, 南极地下 米的冰立方 (IceCube) 望远镜, 地面的高能立体望远镜系统 (HESS) 甚高能辐射成像望远镜系统 (VERITAS) 主要大气伽马射线成像切伦科夫望远镜 (MAGIC) 等实验预期会在未来几年产生更多数据 随着实验的升级和灵敏度的提高特别是未来大型高海拔空气簇射观测站 (LHAASO) 项目的开展, 我国西藏羊八井的宇宙线地面观测站在间接探测暗物质粒子方面将具有一定的潜力 在空间探测方面,FERMI AMS-02 以及我国的暗物质粒子探测卫星和空间站暗物质粒子探测项目都将对暗物质的研究做出有意义的贡献 关于暗物质性质的研究与天文研究紧密相关 例如, 对于暗物质的直接探测和间接探测, 其信号的预言或解释都依赖于暗物质的密度及空间分布, 因此, 这些研究必须和天文研究紧密结合 在该方面, 美国大口径综合巡天望远镜 (LSST) 和我国的南极昆仑站暗宇宙巡天望远镜 (KDUST) 预期将起到重要作用 参考文献 1 常进. 暗物质粒子探测 : 意义 方法 进展及展望. 工程研究 跨学科事业中的工程, 2010, 02(2). 2 ESA. Simple but challenging: the Universe according to Planck 华凌. 欧洲大型强子对撞机升级改造有助于揭示宇宙中神秘的 暗物质. content_ htm CDMS. Dark Matter Search Results from CDMS-II Silicon Detectors 张梦然. 美地下暗物质实验发现暗物质初步线索 CERN. AMS experiment measures antimatter excess in space Aguilar M, Alberti G, Alpat B et al. First Result from the Alpha 552

8 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Prima ry Cos-mic Rays of GeV. Phys. Rev. Lett., 2013, 110(14): ASPERA. Status and Perspective of Astroparticle Physics in Europe Astroparticle Physics Roadmap Phase I. pdf 张新民, 陈学雷. 暗物质 暗能量研究进展及中国的机遇. 中国科学院院刊,2011, 26(5): 量子信息技术将成为下一代信息技术的先导和基础 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆成都分馆信息科技团队唐川 ( tangc@clas.ac.cn) 张娟 房俊民审稿专家 : 中科大陆朝阳教授 量子信息科学是利用量子体系的独特性质对计算 编码 信息处理和传输过程给予新的诠释 开发新的 更为高效的信息处理功能的一门学科, 它是量子力学与信息科学相结合的产物, 主要包括量子计算和量子通信两个领域, 其核心目标是实现真正意义上的量子计算机和实现绝对安全的可实用 [1] 化的远距离量子通信 此外量子密码 量子模拟与量子度量等分支也是当前和未来的研究热点 1 全球化量子通信有望实现 经过 20 多年的发展, 量子通信已从理论走向实验, 并向实用化发展 近年来, 量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升, 通信距离已超过 200km 一些小规模的量子通信试验网已经建成, 验证了量子通信技术网络化的可行性, 并在国家安全 金融等信息安全领域开始发挥作用 在量子通信领域, 我国在多个方面已经达到了世界先进水平, 其中在城域量子通信关键技术方面达到了产业化要求, 产业化预备方面与欧美处于同等水平状态 中科大 潘建伟团队在实用化量子网络通信 量子存储和量子中继器技术研究方面处于国际前列 例如 2012 年潘建伟小组在量子中继器的实用化研究上取得了突破, 实现了 3.2 毫秒的存储寿命及 73% 的读出效率的量子存储, 为国际上量子存储综合性能指标最好的 [2] 实验结果 同时, 中科院正在大力推动战略先导专项 量子科学实验卫星, 并于 2012 年首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发, 为发射全球首 [3] 颗 量子通讯卫星 奠定了技术基础 中科院计划在 2016 年左右发射量子科学实验卫星, 在此基础上将实现高速的星地量子通信 [4] 并连接地面的城域量子通信网络 下一步的国际竞争将更加激烈, 各国将致力于将量子保密通信向更远距离和更大规模的广域网络发展, 重点包括量子中继和卫星量子通信等 据科学家们预计, 未来 10 年颇有望实现全球化量子通信, 并在往后二三十年间对人类社会发展产生重大的影响, 其在军事 国防 金融 工程和社会公共设施等信息安全领域都有着尤为重大的应用价值与开发前景 院刊 553

9 2 量子计算有望获重要突破 目前, 标准量子计算模式 [5] 基于测量的量子 [6] [7] 计算模式 拓扑量子计算模式和绝热量子计算 模式在少数几个量子逻辑比特的前提下得到了实 验验证 [8], 实现了简单的逻辑门操作 [9] 纠错 [10], 以 及一些简单的量子算法演示 [11] 在硬件实现方面, 国际学术界依然不能完全 确定哪个物理体系能够最终胜出 固态物理系 统 冷原子 量子光学体系等都各有优势, 最终最 有希望满足所有量子计算的要求的或许是一种混 合型的 集成各体系的优势量子计算机 2012 年, [12] 潘建伟小组实现了 8 光子比特拓扑量子纠 2013 年, 潘建伟小组利用光量子计算机实现了求 解线性方程组算法 奥地利因斯布鲁克大学领导 的联合研究小组在 2010 年利用离子阱系统实现了 14 个量子比特的纠缠态的制备 [13] 美国南加州大 学证明加拿大 D-Wave 公司研制的 D-Wave Two 型 量子模拟机成功演示了量子退火法 [14] 未来 5 10 年量子计算机的研制可望取得重 要突破 各国竞争的焦点包括量子芯片 ( 半导体 量子芯片 超导量子芯片 离子 / 原子芯片 光子集 成芯片等 ) 量子编程 量子测量以及量子芯片微 纳结构材料等相关研究 [15] 现阶段只有通过诱骗态量子通信技术才能克 服光源不完美带来的漏洞, 达到安全距离超过百 公里的量子密钥分发, 因此成为国际竞争最热门 的领域之一 2007 年, 诱骗态量子通信技术同时 [20] [21] 被美国国家标准局 欧洲维也纳大学和中国潘 [22] 建伟小组这三个研究组实现, 为城域安全量子通 信奠定了基础 2012 年, 潘建伟研究组建设完成 了国际上首个包含 46 个节点 规模化的城域量子 通信网络 合肥城域量子通信试验示范网, 在 合肥市区多个政府部门 金融机构 军工企业和科 研院校得以应用 基于已成熟的规模化城域量子 通信组网技术, 潘建伟研究组进一步将技术应用 于国庆 60 周年阅兵式的通信安全保障工作 与新 华社合作的 金融信息量子通信验证网 和为 十 八大 提供信息安全保障的 基于量子通信的高安 全通信保障系统 2013 年, 潘建伟研究组牵头的千公里级大尺 度光纤量子通信骨干网工程 京沪干线 正式立 项, 将建设连接北京 上海, 贯穿济南 合肥等地的 高可信 可扩展 军民融合的广域光纤量子通信网 络, 建成国际上首个大尺度量子通信技术验证 应 用研究和应用示范平台 4 量子模拟有望取得重大突破 3 量子密码将获实际应用 近年来, 美国 欧盟 日本等投入了巨大资源 [16] 研发量子密码技术, 并取得一系列成果, 中国在该方面的进展也处于世界前列 量子通信的第一个演示性试验是由 Bennett Brassard 及其研究团 [17] 队在 1989 年完成的, 通过自由空间传输距离只有 30cm 2004 年, 日本 NEC 公司宣布创下了光纤量子密码传输距离的新记录 150km [18] 同年, 中科大郭光灿研究组在北京与天津之间成功实现了 [19] 125km 光纤的点对点的量子密钥分配线路 由于这些实验所使用的光源是衰减的激光, 不是完美的单光子源, 因此不能克服光子数分离攻击, 安全的通信距离无法超过 10km 量级 量子模拟就是指在一个人工构建的量子多体系统的实验平台上去模拟在当前实验条件下难以操控和研究的物理系统, 获得对一些未知现象的 [23] 定性或定量的信息 2009 年, 中科大潘建伟研究小组通过操纵多光子纠缠态, 在国际上首次实验证实了一种存在于两维空间的奇特粒子 ( 任意 [24] 子 ) 的分数统计现象 利用超冷原子 BEC, 人工构造出了规范势, 实现了超冷玻色子的 自旋 - 轨道耦合 [25] 2010 年中科大杜江峰研究组, 在核磁共振系统中通过量子模拟的方式获得了氢分子的基 [26] [27] 态能量, 模拟了化学中异构化反应的动力学 2011 年美国哈佛大学研究小组利用单格点成像技 [28] 术, 成功地模拟并探测了一维反铁磁自旋链 量 554

10 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 子模拟技术快速发展, 正在接近经典计算机可以模拟的极限, 未来 5 10 年有望取得重大突破 当前关键问题是研制具有相当规模的量子比特实验平台, 以及研制可实用的固态量子存储器等关键器件 量子模拟是量子计算机最有前景的应用领域, 有望比普 [15,29] 适的量子计算机更早实现 5 量子度量学正在兴起 量子度量学是近几年兴起的一门学科 量子度量学突破了经典测量的标准量子极限, 正日益引起世人的关注, 可望在量子定位 量子雷达 量子时钟 量子高精密相位测量 量子成像等方面开辟新的潜在应用 例如潘建伟研究组成功制备了 10 比特纠缠态, 并实验观测到了光子相位超分辨, 且突破了标准量子极限, 这是到目前为止光学系统中利用纠缠比特数目最多的量子度量学成果, 也为下一步更高分辨率和灵敏度 [30] 的精密测量奠定了重要基础 ; 中科大郭光灿研究组和以色列的联合科研组开发出了新型量子弱测量技术, 首次利用廉价的商用发光二极管白光源实现量子高精密测量, 时间测量的精度达到阿秒量级, 相应距离的测量精度达到 0.1nm, 即可以分辨出一个原子大小的位置移动 同时, 探测装置简单实用且性能稳定, 不受环境消相干的影响, 为量子精密测量技术走向实用化打下了重要基 [31] 础 传统的信息技术已越来越接近其物理极限, 量子信息技术将能突破摩尔定律瓶颈, 提供前所未有的强大计算能力 无与伦比的安全性, 将成为下一代信息技术的先导和基础 我国目前在量子通信领域已取得了诸多国际领先的成果, 并在量子计算 量子密码等方面也跟上了世界的步伐, 在该新兴领域占据了一席之地, 并且寻求在未来的 国际竞争中抢占这一战略制高点 参考文献 1 郭光灿, 周正威, 郭国平等. 量子计算机的发展现状与趋势. 中国科学院院刊,2010, 25(5): Bao X H, Reingruber A et al. Efficient and long-lived quantum memory with cold atoms inside a ring cavity. Nature Physics, 2012, 8: Yin J, Ren J G, Lu H et al. Quantum teleportation and entanglement distribution over 100-kilometre free-space channels. Nature,2012, 488: 量子通信 : 无法破译的密码. 光明网 /18/content_ htm. 5 Cai X D et al. Experimental quantum computing to solve systems of linear equations. Phys. Rev. Lett., 2013, 110: Gao W B et al. Experimental measurement-based quantum computing beyond the cluster-state model. Nature Photonics, 2011, 5: Yao X C et al. Experimental demonstration of topological error correction. Nature, 2012, 482: 周正威, 陈巍, 孙方稳等. 量子信息技术纵览. 科学通报, 2012, 57(17): Gao W B et al. Experimental realization of a controlled-not gate with four-photon six-qubit cluster states. Phys. Rev. Lett., 2010, 104: Lu C Y et al. Experimental quantum coding against qubit loss error. Proc. Natl. Acad. Sci USA., 2008, 105: Lu C Y et al. Demonstration of a compiled version of Shor s quantum factoring algorithm using photonic qubits. Phys. Rev. Lett., 2007, 99: Yao X C et al. Experimental demonstration of topological error correction. Nature, 2012, 482: Monz T, Schindler P, Barreiro J T et al. 14-qubit entanglement: creation and coherence. Phys. Rev. Lett., 2011, 106: Boixo S, Albash T et al. Experimental signature of 院刊 555

11 programmable quantum annealing. Nature Communications, 2013, 3067: 中国科学院. 科技发展新态势与面向 2020 年的战略选择. 北京 : 科学出版社, 2020, Gisin N et al. Quantum cryptography. Rev. Mod. Phys., 2002, 74: Bennett C and Brassard G. The dawn of a new era for quantum cryptography: the experimental prototype is working. SIGACT NEWS, 1989, 20: Kimura T et al. Single-photon interference over 150-km transmission using silica-based integrated-optic interferometers for quantum cryptography. quant-ph/ , Mo X et al. Intrinsic-stabilization uni-directional quantum key distribution between Beijing and Tianjin. quant-ph/ , Rosenberg D et al. Long-distance decoy-state quantum key distribution in optical fiber. Phys. Rev. Lett., 2007, 98: Schmitt-Manderbach T et al. Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km. Phys. Rev. Lett., 2007, 98: Peng C Z et al. Experimental long-distance decoy-state quantum key distribution based on polarization encoding. Phys. Rev. Lett., (17): Lu C Y et al. Demonstrating anyonic fractional statistics with a six-qubit quantum simulator. Phys. Rev. Lett., 2009, 102: Zhang J Y et al. Collective dipole oscillations of a spin-orbit coupled Bose-Einstein condensate. Phys. Rev. Lett., 2012, 109: Du J, Xu N, Peng X et al. NMR implementation of a molecular hydrogen quantum simulation with adiabatic state preparation. Phys. Rev. Lett., 2010, 104: Lu D, Xu N, Xu R et al. Simulation of chemical isomerization reaction dynamics on a NMR quantum simulator. Phys. Rev. Lett., 2011, 107: Simon J, Bakr W S, Ma R et al. Quantum simulation of antiferromagnetic spin chains in an optical lattice. Nature, 2011, 472: Cirac J, Zoller P. Goals and opportunities in quantum simulation. Nature Physics, 2012, 8: Gao W B, Lu C Y et al. Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schrödinger cat state. Nature Physics, 2010, 6: Xu X Y, Kedem Y, Sun K et al. Phase estimation with weak measurement using a white light source. Phys. Rev. Lett., 2013, , 98: 周正威, 陈巍, 孙方稳等. 量子信息技术纵览. 科学通报, 2012, 57 (3): 人造生命 展现诱人前景 整理撰稿人 : 中科院上海生命科学信息中心人口健康与生物医药团队刘晓 ( liuxiao@sibs.ac.cn) 王慧媛 王方 熊燕审稿专家 : 中科院院士, 中科院上海生命科学院赵国屏研究员 1 人造生命 为生命规律的探索提供新途径 2010 年, 美国科学家实现了人工全合成支原体基因组, 培育出由人造基因组控制的 可自我复 制的细菌细胞, 标志着人类实现了首个 人造生 [1] 命, 证明了人工合成生命的可行性 人造生命 (artificial life / synthetic life) 是以系统生物学研究为基础, 融入工程学的思想和概 556

12 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 念, 综合利用化学 物理 信息科学的知识和 技术, 从头合成或改造重合成具有特定生物 学活力的生物分子及其复合物 功能线路和 细胞器, 从而创造细胞 组织 器官 生物个 体乃至生态系统 人造生命 为生命起源 进化以及生命运动规律的探究开辟了新思 路 新手段, 也极大地促进了合成生物学的 发展 2 国际重大进展和突破不断涌现 (1) 合成生物学成为发达国家资助重 点 以 人造生命 为目标的合成生物学得 到了美国 英国等国家的高度重视 美国国 家科学基金会早在 2006 年就资助建立了 合成生物学工程研究中心 (SynBERC), 此后, 美国国家科学院 国防部高级研究项 目局 国家科学基金会等相继资助了多项合 成生物学相关研究项目 欧盟委员会第七 框架计划在 生物技术新兴发展趋势 主题 中规划了 4 项合成生物学相关研究项目资 助开展细胞工厂及应用 合成生物学的相关 标准及安全等研究 英国商务 创新与技能 部 2012 年发布 合成生物学路线图, 随后 大学与科学部 2013 年投入超过 万英 镑支持合成生物学的发展, 确保英国在该领 域的全球领导地位 (2) 基因组合成 线路设计和合成生物 制造领域取得重大突破 目前, 人造生命 正在经历从向自然学习模拟 天然生物元器 件的改造与人工替换, 到基于定量生物学模 型的复杂生命系统的从头设计和合成 组装 的发展过程 随着高效率 高质量 低成本 的寡核苷酸合成及大片段 DNA 拼接技术的 快速发展, 人造生命 的对象已从病毒 细 [2] 菌发展到酵母等真核生物 ; 其研究目的也 从最初的概念证实和使能技术发展, 逐渐迈 向复杂生命体系运动机理研究及人工遗传 线路和底盘生物设计构建等工程体系的建 立 成功合成自然界中不存在的可执行 DNA 功能的人造分子 XNA, 为生命起源的 研究开辟了新思路 [3] ; 生物器件 功能线路 网络设计等技术快速发展, 已成功建立能根 据细菌基因型预测其表型的计算模型 [4] ; 人 工合成模拟遗传线路, 实现了在活细胞中执 行精密计算的功能 [5], 在哺乳动物细胞内构 建出复杂的基因逻辑网络 [6] ; 利用 DNA 和 RNA 制成生物晶体管 [7], 为活体细胞计算机 的研发跨出关键性一步 ; 开发出真核生物转 [8] 录因子元件模块及遗传线路构建技术及能 对基因组进行简单 精确编辑的新技术 [9] 同时, 利用合成生物学技术, 合成生物制造 领域取得重大进展, 在实现青蒿酸在人造底 盘中生物合成的基础上, 通过优化元件和途 径, 实现了产量的极大提高, 并启动大规模 半合成青蒿素的生产 [10], 也使紫杉醇 [11] 人 [12] 参皂苷等植物稀有活性成分在微生物细 胞中的快速高效合成成为可能 3 推动传统生物技术的革命性突破和 经济社会的重大变革 基因组学 系统生物学 定量生物学及 计算生物学的发展, 为生物体的改造利用提 供了前所未有的知识环境 基于系统生物 学的合成生物学为全面 定量和可预见地设 计 改造生物带来了革命性的机会, 但真正 要人工合成生命还有很长的路要走 未来, 有望通过开发更加高效 低廉的 DNA 合成 技术 精确的大片段基因组装技术, 创建最 优的合成途径 ; 通过测量生命组分 模拟生 命过程, 设计生命蓝图 合成生命物质, 创造 生命细胞和生命系统 实现人工生命系统构建理论和技术的 突破, 不仅能全面认识和理解生命的本质与 天然生物系统的工作原理及规律, 还将在世 界范围内激发新一轮理论探索和技术革命 院刊 557

13 的浪潮 随着工程化层次及使能技术效率的不断 提升, 将从根本上革新传统医药工业 化学和生物 制造业, 大大提升生产力 改变人类生活方式, 建 立 高效 清洁 节约 可持续 的发展模式, 对未来 经济和社会产生深远影响 4 加强前瞻规划和布局, 应对机遇和挑战 我国已具备开展合成生物学和 人造生命 研 究的基础, 同时该领域的发展已得到国家的高度 关注 2010 年以来, 科技部 计划均 部署了相关研究项目, 相继设立了 人工合成细胞 工厂 新功能人造生物器件的构建与集成 微 生物药物创新与优产的人工合成体系 用合成 生物学方法构建生物基材料的合成新途径 抗 逆元器件的构建和机理研究, 以及 合成微生物 体系的适配性研究 等重大研究项目, 资助了 人 工合成酵母 国际合作计划 中科院在 创新 2050 路线图中, 就将 人造生命 与生命起源和进 化列为交叉前沿核心科学问题之一, 并于 2008 年 建立了中科院合成生物学重点实验室 近年来, 我国科学家在合成生物学的基础研 究和技术创新方面也取得了一些重要进展 例 如, 成功开发出一种简单 稳定 容易使用的光调 控基因表达系统 [13] ; 通过重编码大肠杆菌细胞运 动模式, 阐释了一个全新的生物图形生成原理 [14] ; 利用 模块途径工程策略 构建酵母工程菌, 降低 了植物源萜类的合成成本 [15] ; 建立了在蓝细菌中 由 CO 2 合成丙酮的代谢途径, 实现利用光能直接 产生酮类化合物 [16] ; 通过在家蚕中构建受化学信 号控制的性致死人造基因线路, 实现在生产上仅 [17] 饲养雄蚕而达到产量高 质量好的目标等 中科院具有学科交叉和研究力量整合的优 势, 可针对重大科技问题, 开展前瞻性布局和研 究, 以生物进化过程中发挥关键作用的事件为核 心研究对象, 在相关生物元件 模块 器件 线路 细胞器 细胞乃至组织的设计与合成上实现突破, 引领学科发展方向 ; 加强重点实验室和工程技术 平台的建设, 产生一系列具有应用前景的新方法和新技术 同时, 从关系国计民生和产业发展的医药 农业 化工 环境等相关重大产品入手, 建立具有特定生物制造能力的人工生物体系, 促进 合成生物制造 的应用基础和产业转化研究, 获得若干创新 产品, 为我国可持续经济体系的建立与发展奠定科学基础 参考文献 1 Gibson D G, Glass J I, Lartigue C et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, 2010, 329(5987): Dymond J S, Richardson S M, Coombes C E et al. Synthetic chromosome arms function in yeast and generate phenotypic diversity by design. Nature, 2011, 477(7365): Pinheiro V B, Taylor1 A I, Cozens C et al.synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution. Science, 2012, 336: Karr J R, Sanghvi J C, Macklin D N et al. A whole-cell computational model predicts phenotype from genotype. Cell, 2012, 150: Daniel R, Rubens J R, Sarpeshkar R et al. Synthetic analog computation in living cells. Nature, 2013, 497(7451): Ausländer S, Auslander D, Muller M et al. Programmable singlecell mammalian biocomputers. Nature, 2012, 487(7405): Bonnet J, Yin P, Ortiz M E et al. Amplifying Genetic Logic Gates. Science, 2013, 340(6132): Khalil A S, Lu T K, Bashor C J et al. A Synthetic Biology Framework for Programming Eukaryotic Transcription Functions. Cell, 2012, 150(3): Cong L, Ran F A, Cox D et al. Multiplex genome engineering using CPISPR/Cas Systems. Science, 2013, 339(6121): Paddon C J, Westfall P J, Pitera D J et al. High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin. Nature,2013, 496(7446): Ajikumar P K, Xiao W H, Tyo K E J et al. Isoprenoid pathway optimization for taxol precursor overproduction in Escherichia Coli. Science, 2010, 330(6000):

14 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 12 Han J Y, Hwang H S, Choi S W et al. Cytochrome P450 CYP716A53v2 Catalyzes the Formation of Protopanaxa triol from Protopanaxadiol During Ginsenoside Biosyn thesis in Panax Ginseng. Plant Cell Physiol, 2012, 53(9): Wang X, Chen X J, Yang Y. Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable transgene system. Nature Methods, 2012, 9: Liu C L, Fu X F, Liu L L et al. Sequential establishment of stripe patterns in an expanding cell population. Science, 2011, 334: Guo J, Zhou Y J, Hillwig M L et al. CYP76AH1 catalyzes turnover of miltiradiene in tanshinones biosynthesis and enables heterologous production of ferruginol in yeasts.pnas, 2013, 110: Zhou J, Zhang H F, Zhang Y P et al. Designing and creating a modularized synthetic pathway in cyanobacterium Synechocystis enables production of acetone from carbon dioxide. Metabolic Engineering, 2012, 14: Tan A J, Fu G L, Jin L et al. Transgene-based, femalespecific lethality system for genetic sexing of the silkworm, Bombyx mori. PNAS, 2013, 110: 人脑神经连接线路图有望绘出 整理撰稿人 : 中科院上海生命科学信息中心人口健康与生物医药团队许丽 ( xuli@sibs.ac.cn) 李祯祺 王玥审稿专家 : 中科院生物物理所赫荣乔研究员 人脑是自然界中最复杂的系统之一 据估计, 成年人大脑中约有 个神经元, 这些神经元通过约 个突触互相连接, 形成了高度复杂的大脑结构网络, 因此, 在单神经元甚至是神经突触分辨水平可视化全脑神经元网络研究上实现突破, 是理解脑功能和脑疾病的基础 人脑连接组是对脑功能的神经连接通路及其网络结构进行全面解析 模拟以揭示人脑工作机理的研究 人脑连接组研究力图从宏观 ( 大脑脑区 ) 到微观 ( 单个神经元 ) 的各个层次上, 全面而细致地刻画从总体到个体水平的人类大脑结构网络图谱, 是对人脑结构和功能连接模式的综合研究 人脑连接组研究将为理解大脑工作机制以及洞悉脑部疾病形成 发作机理 及防治产生重要意义, 并将为人工智能系统带来进步 1 国际发展现状 绘制人脑神经连接线路图已成为国际生命科学研究和未来发展的制高点 2004 年, 美国 NIH 提出了 神经科学研究蓝图 框架, 并设立人脑连接组项目 (Human Connectome Project,HCP), 旨在从毫米水平研究大脑各区域的神经连接, 绘制出不同活体人脑功能 结构图谱 2013 年 2 月, 美国总统奥巴马提出的 脑活动图谱计划 (Brain Activity Map,BAM) 则计划绘制出活体大脑内 每一个神经细胞上的每一个电脉冲 的图 谱 同年 4 月, 美国正式启动为期 10 年的 院刊 559

15 通过推动创新型神经技术开展大脑研究 (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies,BRAIN) 计划 2013 年初, 欧盟也决定投资 10 亿欧元开展为期 10 年的 人类脑计划, 旨在建立一个由计算机模拟的完整大脑 日本 英国 德国等也纷纷部署脑科学相关研究计划 影像技术 光遗传学 纳米技术 侵入性先进材料 神经科学生物库 远程监控技术等多种技术的发展与革新推动了人脑连接组研究的快速发展 弥散张量成像技术 (diffusion tensor imaging, DTI) 和功能磁共振成像技术 (magnetic resonance imaging,mri) 是目前研究人脑结构 功能联系的主要影像手段 ; 光遗传学技术则可利用光调控大脑环路对神经元细胞之间如何相互作用形成功能进行进一步分析 ; 而网络分析算法为研究大规模脑网络的拓扑结构提供了重要工具 人脑连接组学发展迅速, 被 Science 杂志列为 2013 年 6 大值得关注的科学领域之一 2013 年上半年,HCP 对外公布了其前两批研究数据, 并首次绘制了 3D 大脑思维连接图, 总数据量达 4TB [1,2] 6 月, 首张超高精度的三维脑图 BigBrain 绘制成功, 可展示皮质层细胞结构甚至是脑神经元 基础 重大研究计划, 针对 情感 和 记忆 两类认知功能及其障碍的脑网络表征与相关技术的研究进行支持 中科院也于 2012 年启动了 脑功能联结图谱 战略性先导科技专项 (B 类 ), 旨在描述各脑区特殊种类神经细胞群之间有功能的连接和运作, 并根据脑科学发展态势和最新技术条件, 选择重要的脑功能 ( 感觉 情绪 学习记忆 决策 ), 力求完整地描述在正常生理状态和病理状态下, 这些承担重要功能的神经网络连接的构造和运作机制, 以绘制一张完整的大脑活动图谱 在政策支持下, 中科院 北京师范大学 清华大学等多个机构开展了脑科学研究, 并取得多项成果 2007 年, 北京师范大学科研人员建立了世界首张活体人脑结构连接网络草图, 发现人脑不 [4] 同区域之间的灰质厚度具有 小世界 组织方式 ; 首次发现遗忘型轻度认知障碍和恢复期老年抑郁症存在相似的神经环路损害模式, 为了解阿尔茨 [5] 海默病的发病机制提供了新思路 ; 北京师范大学联合美国 NIH 揭示血流供应和大脑功能拓扑结构 [6] 间存在紧密联系 ; 中科院研究人员正式提出 脑 [7] 网络组学 (Brainnetome) 的概念 技术上, 华东理工大学研究人员开发了一种全新的光激活操控 之间的微电流, 为医学和药物研发提供了基准图 [3] 谱 2013 年 8 月, 研究人员成功利用超级计算机模拟了 1 秒钟的人脑神经网络活动 目前, 德国研究人员正着手通过将神经元注入硅片, 在硅芯片上呈现神经形态 (neuromorph) 系统, 为人脑计算机模型的构建奠定基石 2 中国现状 中国在脑科学研究领域一直给予高度支持 国家中长期科学和技术发展规划纲要( ) 国家 十二五 科学和技术发展规划 十二五 生物技术发展规划 和 国家自然科学基金 十二五 发展规划 均针对脑科学研究进行了部署 2010 年, 科技部启动 973 计划项目 影像的脑网络研究及其临床应用 国家自然科学基金委于 2011 年启动的 情感和记忆的神经环路 [8] 系统 Light On 系统 ; 中科院研究人员最新开发的神经细胞双色钙成像技术 (dual color calcium imaging) 可用于获取神经细胞电活动的动态信息, 将 [9] 对人类 智力蓝图 的绘制起到推动作用 ; 华中科技大学也正着手研发高分辨全脑神经元网络可视化仪器, 为揭示大脑奥秘制造 人脑遥感卫星 同时, 中科院等研究机构的科学家为未来基于大型数据库的人脑功能连接组关联研究提供了标准 [10] 化基础 全球的大量集中投入, 技术的快速发展, 推动脑科学发展迈入新时代, 堪比人类基因组计划的人脑神经连接线路图将有望绘出, 并将带来巨大的科学 社会和经济回报 参考文献 1 NIH Blueprint: The Human Connectome Project. Human Connectome Project releases major dataset on brain connectivity. 560

16 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 press-releases/human-connectome-project-releasesmajor-dataset-brain-connectivity/. 2 NIH Blueprint: The Human Connectome Project. HCP Releases Q2 Data data/. 3 Katrin Amunts,Claude Lepage,Louis Borgeat et al. BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model. Science,2013, 340(6139): Yong He,Zhang J Chen,Alan C Evans Y et al. Smallworld anatomical networks in the human brain revealed by cortical thickness from MRI. Cereb Cortex,2007, 17 (10): Bai F,Shu N,Yuan Y et al. Topologically convergent and divergent structural connectivity patterns between patients with remitted geriatric depression and amnestic mild cognitive impairment. J Neurosci, 2012,32: Liang X,Zou Q,He Y et al. Coupling of functional connectivity and regional cerebral blood flow reveals a physiological basis for network hubs of the human brain. PNAS,2013,110(5): Jiang T. Brainnetome: A new-ome to understand the brain and its disorders. Neuroimage, 2013,80: Xue Wang,Xianjun Chen,Yi Yang. Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable ransgene system. Nature Methods, 2012,9: Hao Li,Yiming Li,Zhengchang Lei et al. Transformation of odor selectivity from projection neurons to single mushroom body neurons mapped with dual-color calcium imaging. PNAS,2013, 07.01(online). 10 Yan C G,Craddock R C,Zuo X N et al. Standardizing the intrinsic brain: Towards robust measurement of inter-individual variation in 1000 functional connectomes. Neuroimage,2013,80: 光合作用及 人造叶绿体 将可能取得革命性突破 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆成都分馆先进工业生物技术团队郑颖 ( zhengy@clas.ac.cn) 陈云伟 丁陈君审稿专家 : 中科院院士, 中科院植物所匡廷云研究员 光合作用是地球上最大规模的能量和物质转换反应过程, 是地球上最大规模的太阳能利用方式, 为几乎所有的生命活动提供有机物 能量和氧气, 与当前人类面临的粮食危机 能源危机 资源危机和环境变化等问题的解决密切相关 光合作用的高效吸能 传能和转能的分子机理是光合作用研究的核心问题, 是重要的科学前沿, 阐明其机 理具有重大的科学意义和实践意义 大量研究发现, 天然植物光能利用效率远未达到理论极限值, 挖掘和提高光能利用效率具有巨大的潜力 目前, 光合作用的研究主要涉及光能高效转能的分子机理及其调控原理的研究 ; 从遗传本质上挖掘调控光合作用效率的关键基因资源 ; 培育高光效农作物和能源植物品种以及人工模拟光合作用体系 ; 开 院刊 561

17 发固定太阳能并高效转化成人类所需清洁能源的 [1] 新技术 1 光合作用研究将推动农业和能源工业快速发展 地球上每年通过植物光合作用合成的有机物有 亿吨, 相当于人类每年所需能耗的 10 倍 光合作用是作物产量形成的物质基础, 植物干重的 90% 95% 来自光合作用, 因此提高作物光能转化和碳素同化效率是提高作物产量的重要途径 未来成功揭示光合作用能量传递和转化机理并成功解析光合膜蛋白复合物的空间结构后, 将可能使光合膜系统成为第一个在原子水平能以物理和化学概念进行解释的复杂生物膜系统 这不仅能揭示光合作用高效转能的奥秘, 跨越物理世界与生命世界不可逾越的鸿沟, 促进复杂系统凝聚态物理 化学的理论研究, 丰富和发展超分子体系的电子传递及能量传递理论, 还能为提高农作物光能转化效率, 开辟太阳能利用新途径, 并为利用太阳能生物转化原理大规模生产清洁能源, 研 [1] 制生物电子器件及生物芯片奠定理论基础 在认知自然光合作用过程的基础上, 通过仿生技术, 发展由有机和无机体系组成的 人工光合过程, 从太阳能制取 太阳燃料, 实现高效水分解及二氧化碳还原, 已成为能源领域研究的重点 目前的研究主要围绕高效转能的分子机理及其调控原理, 探索模拟光合作用所面对的新思路 新方法 新技术 新材料等重要的科学技术问题, 以及开发太阳能生物电池 藻类和光合微生物产氢及产油技术开展 这些研究成果将促进太阳能光生物转化利用新兴产业的形成, 从而将会对世界能源资源格局产生深远影响 2 人工光合作用体系的构建成为研究前沿 要解决能源体系可持续发展的需要, 摆在人类面前一个巨大的问题是, 如何能够在提供人类所需能源的同时降低二氧化碳的排放, 保持生态 环境的安全 为此, 必须寻求建立可持续发展的能源体系 基于光合作用的原理, 建立自然的和人工的太阳能转化系统, 生产清洁能源是解决当前能源与环境问题的重要途径 如何固定太阳能, 并高效转化成人类所需的清洁能源, 是当今重要的科学和技术问题之一 模拟光合作用是解决这一问题的重要方法, 也是未来能源战略的一个重要方向, 因而倍受各国政府和科学家的重视 欧盟启动了 人工叶片 计划, 开展光伏技术 模拟光合作用 改造光合固碳途径等研究 ; 美国启动了 模拟光合作用进行太阳能制氢研究计划 ; 英国生物技术与生物科学研究委员会和美国国家科学基金会联合投入 611 万欧元, 用以探索突破光合成限制的方法, 以大幅提升 [2] 粮食和生物能源作物的产量 突破植物光合作用过程中光能吸收 传递和转化的分子机理及调控原理等瓶颈, 以及提高作物光合作用效率等一直是光合作用研究的重点 日本冈山大学在世界上首次用 1.9 Å 高分辨率解 [3] 析了光系统 II 光合膜水裂解蛋白的空间结构, 被 Science 杂志评为 2011 年十大科技突破之一, 该结构不仅对生命科学至关重要, 也可能为清洁能源 [4] 的开发提供一个钥匙 美国伦斯勒理工大学的最新成果提供了光系统 II 的重要信息, 解答了光 [5] 系统 II 中太阳能水分解反应的关键问题 瑞典皇家理工学院化学系的研究人员已成功构建出了一种能使水快速氧化成氧气的分子催化剂, 首次 [6] 使人工光合作用接近了自然光合作用的速率 近年来, 模拟植物光合作用体系, 构建 人造叶绿体 的研究也取得了重大进展 美国麻省理工学院的科学家在实验室内再现了光合作用过程, 在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧, 并 [7] 产生了氢气和氧气 英国格拉斯哥大学的研究人员利用合成生物学方法力图创造一种能将太阳能转化为液体燃料的人造 叶片, 复制类似光合 [8] 作用的化学反应 英国东安格利亚大学的科学家正尝试通过在微生物中放入微型太阳能面板来 [9] 人工模拟光合作用过程 562

18 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 科研人员还结合合成生物学技术, 设计组装各类光合作用生物体系 美国田纳西大学的研究人员通过控制蓝绿藻光系统 I 来 [10] 生产能源 丹麦哥本哈根大学的研究打破了植物细胞功能的进化划分过程, 将内质网中生产天然生物活性化合物的整个代谢途径迁移至叶绿体中, 开创了一条在叶绿体 [11] 中合成大量天然化学物质的新途径 3 中国高度重视光合作用基础研究与应用开发 由于光合作用研究在理论和实践上的重要意义, 我国高度重视光合作用的研究 近十几年来, 由中科院植物所先后主持了生物学 物理学 化学及农学交叉的 以光合作用机理研究为主的三期 973 项目 由中科院生物物理所主持了 973 重大科学问题导向性项目 光合作用与人工叶片 长期以来, 中科院不断组织光合作用的机理研究及多学科交叉仿生模拟的重点支持项目, 使我国在光合作用这一领域内取得了在国际上具有重要影响的成果, 在光合膜蛋白结构与功能, 特别是在光系统 II 的结构与功能研究以及光合膜蛋白组装调控机理等重大问题 [12,13] 上取得了突飞猛进的突破 仿生模拟方面, 我国科学家首次成功组装了以植物捕光天线蛋白 (LHCII) 为主体的生物有机太阳能电池, 不仅拓宽了有机电池的吸收光谱, 而且使光能利用效率提高了 30% [14] 随着我国光合作用研究成就持续在国际上产生重要影响,2011 年由中科院植物所主办, 首次在中国成功举办了第 15 届 国际光合作用大会 [15] 未来光合作用的研究将通过新一代转基因技术与分子机理设计相结合的方法, 培育高光效植物品种, 大幅度提高农作物产量 通过仿生学和合成生物学研究的交叉 和整合, 设计制造新型的生物纳米材料装置和生物催化分子器件, 使太阳能高效转化为化学能, 并实现 人工光合细胞 规模化生产氢及各种化合物, 引发生物利用太阳能的革命性进步 参考文献 1 中国科学院. 科学技术与中国的未来 : 中国至 2050 年生物质资源科技发展路线图. 北京 : 科学出版社,2009, Scientists aim to improve photosynthesis to increase food and fuel production. media-and-public/current-releases/110328alisonsmith Photosynthesis.html. 3 Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen et al. Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Nature,2011,473: DOI: /nature Breakthrough of the year. Scinece,2011, Milikisiyants S, Chatterjee R, Christopher S et al. The structure and activation of substrate water molecules in the S2 state of photosystem II studied by hyperfine sublevel correlation spectroscopy. Energy & Environmental Science, 2012,(5): Lele Duan, Fernando Bozoglian, Sukanta Mandal et al.a molecular ruthenium catalyst with water-oxidation activity comparable to that of photosystem II. Nature Chemistry, DOI: /nchem Steven Y Reece, Jonathan A Hamel, Kimberly Sung et al. Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts. Science, 2011,334: DOI: /science Richard Hildner1, Daan Brinks1, Jana B Nieder et al. Quantum Coherent Energy Transfer over Varying Pathways in Single Light-Harvesting Complexes. Science, 2013,340(6139): DOI: /science UEA scientists mimic nature in 800,000 renewable ener- 院刊 563

19 gy project DOI: /nature spinach major light harvesting complex at 2.72 Å resolution. Na- aspx. 13 Wei Chi, Xuwu Sun, Lixin Zhang. Intracellular Signaling from 10 Andreas Mershin, Kazuya Matsumoto, Liselotte Kaiser et al. Plastid to Nucleus. Annu. Rev. Plant Biol,2013,64: Self-assembled photosystem-i biophotovoltaics on nanostructured DOI: /annuary-arplant-o TiO 2 and ZnO. Nature:Science Reports2,2012,234, DOI: 14 Kai Yao, Cheng Liu, Yiwang Chen et al. Integration of light-harvesting complexes into the polymer bulk hetero-junction P3HT/ /srep Agnieszka Zygadlo Nielsen, Bibi Ziersen, Kenneth Jensen et al. PCBM device for efficient photovoltaic cells. Journal of Materials Chemistry,2012,22(6): DOI: / Redirecting Photosynthetic Reducing Power towards Bioactive Natural Product Synthesis. ACS Synth. Biol,2013,2(6):308- c2jm16616j. 315.DOI: /sb300128r. 15 第十五届国际光合作用大会在北京成功召开. 12 Zhenfeng Liu, Hanchi Yan, Kebin Wang et al. Crystal structure of gov.cn/portal0/infomodule_407/31535.htm. [ ]. 人 - 机 - 物三元融合将促进信息服务进入普惠计算时代 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆成都分馆信息科技团队房俊民 ( fjm@clas.ac.cn) 田倩飞 徐婧 唐川审稿专家 : 中科院计算技术所洪学海研究员 1 人 - 机 - 物三元计算是实现普惠计算的范式变革 过去 50 年, 信息技术的发展主要追求高性能 通用和规模化生产, 较忽视低成本 易用性 可靠性 安全性和个性化 未来的信息产品则是要满 [1] 足数以十亿计的广大民众的个性化需求 为了面向大众实现高增值 低成本 可持续的普惠计算 ( 普惠是指让广大民众都能够低成本 高增值 可持续地获益 普惠计算是指以全民普惠为目标的计算机科学技术研究和应用 ), 需要让计算进入广大民众生产生活的业务价值层面, 这意味着计算需要从信息空间进入人 - 机 - 物三元世界, 不再局限于使用计算机与网络硬件 软件和服务, 而是综合利用人类社会 ( 人 ) 信息空间 ( 机 ) 物理世界 ( 物 ) 的资源, 通过云计算 物联网 移动通信 光子信息 [2] 等技术支撑, 协作进行个性化大数据计算 为此, 计算机科技及产业必须发生基本性的范式变革 该范式变革就是人 - 机 - 物三元世界, 或三元计算 典型的人 - 机 - 物三元世界是由人 嵌入式系统 ( 网络组件 ) 和物理环境所组成的开放环境 其中, 嵌入式系统能增强人与物理世界的交互 人 - 机 - 物三元世界能通过身体和大脑传感器量化人的感知活动, 进而推断用户的意图 嵌入式系统能将用户意图转换为机器控制信号, 让机器执行元件充当人的代表, 并与物理环境进行交互 最后, 由人观察物理世界交互情况, 以此为据制定决策 [3] 并结束此次循环 564

20 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 2 信息服务进入普惠计算时代的突出特点 未来 10 年内, 人 - 机 - 物三元融合将使得信息科技渗透到实体经济和社会服务活动中 通过人 - 机 - 物开放式协作交互过程提升生产生活的智能化水平 传统计算机科学将演变成为人 - 机 - 物三元计算信息科学, 传统信息技术将升级为海 - 网 - 云信息网络技术, 出现新的硬件 软件 应用模式 协议 [4] 和标准 在人 - 机 - 物三元融合的趋势下, 以民众的计算需求为中心的普惠计算意味着要向大众提供重要的信息服务计算价值, 以满足个体需求 为此, 普惠的信息服务计算应包括 4 项特性 :(1) 高增值的大众利用 : 以中国为例, 至 2050 年 IT 用户应覆盖八成以上的人口, 且人均 IT 投资增长超过 13 倍 ;(2) 可支付的计算 : 每位用户利用 IT 的总成本应大幅下降, 且所获的 IT 价值等同或更多 ; (3) 可持续的计算 :IT 利用呈数量级增长, 但能耗和排放物不应呈数量级增长 ;(4) 三元计算 : 只有发生变革性创新时, 上述特性才能实现 这种创新的主要机遇将源自人类 [5] 社会 信息空间和物理世界的融合与交互 3 信息服务进入普惠计算时代将产生重大经济社会影响 人 - 机 - 物三元世界是一个多人 多机 多物组成的动态开放网络社会, 在人 - 机 - 物三元融合作用下, 云计算所推动的以人为出发点 以个人的计算需求为第一负载的 e-people 将超越 e-business e-science 和 e-government 成为主流服务模式, 将使民众在医疗卫生 地理信息 电子商务 科研教育 影视娱乐等方面享受更高质量服务 例如, 在人机界面 受控辅助机器人和智能假肢 修复或增强人类与物理世界的交互等领 域将出现多种令人兴奋的应用, 并且研究人员能更好地应对半自动机器人 无线体域网 嵌入式系统设计和意图推断算法开发等 [6] 交叉领域的挑战 据估计, 普惠计算有望将中国计算机市场在 年增长到 [7] 每年 10 万亿元 4 相关研究已引起业界广泛关注 目前, 人 - 机 - 物三元融合及普惠计算的研究已引起各界关注 中国科技部和国家自然科学基金委员会出版的 2011 至 2020 年信息技术发展 战略研究报告中, 面向人 - 机 - 物三元世界的发展趋势得到了肯定 人 - 机 - 物三元计算 ( 以及美国科学家提出的计算透镜和计算思维 ) 概念促进了新的交叉学科子领域和研究团体的形成 例如, 物联网 领域的研究在中国已获广泛关注, 并成为若干大学的新学科项目 ; 美国哈佛大学正开展演进计算研究 ; 新成立的美国卡内基梅隆大学计算思维研究所 康奈尔大学计算 [8] 可持续性研究所也瞄准了相关研究方向 [9] 此外, 欧盟提出的物联网战略研究路线图 欧盟未来新兴技术旗舰计划项目的 人脑工程 [10] 美国国家标准与技术研究院 (NIST) 发布的 21 世纪网络物理系统的战略研发机遇 [11] 通用电气公司提出的 工业互联网 [12] 等战略规划与研究项目, 均系在人 - 机 - 物三元融合趋势下的相关举措 5 中国积极推动相关研发进程 近年, 中国政府有关部门以及中科院对人 - 机 - 物三元融合和普惠计算的有关研究提供了系列资助, 取得了较为显著的研究进展, 表明我国在该方向上已具有良好基础 普惠三元计算的概念最早于 2001 年提出, 当时中国正在制定 年科学与技术发展中期计划 此后, 该概念在中科 [8] 院的大量研究中得以延伸发展 2007 年, 院刊 565

21 中科院针对 2050 年信息技术发展的挑战 需求和潜在路线图发起了为期 2 年的研究, 在此基础上, 中科院研究人员提出 : 需要一种新的范式 ( 被命名 [5] 为 普惠计算 ) 来应对未来数十年中的 IT 挑战 2009 年, 中科院发布 中国至 2050 年信息科技发展路线图 报告, 指出发展普惠泛在的信息网络是我国经济社会发展和科学研究的重要需求, 并提出了人 - 机 - 物三元世界和信息技术普惠大众的思 [7,13] 想 2012 年 8 月, 中科院启动了 面向感知中国的新一代信息技术研究 先导专项, 人 - 机 - 物三 [14] 元融合的信息技术是研究重点之一 未来一段时间, 为进一步提升计算技术价值, 逆转传统计算产业发展停滞趋势, 实现高增值 低成本 可持续的普惠信息服务发展目标, 信息服务业必将在人 - 机 - 物三元融合的大趋势下向普惠计算时代大踏步前进 参考文献 1 中国科学院. 中国至 2050 年信息科技发展路线图. 北京 : 科学出版社,2009,27. 2 中国科学院. 科技发展新态势与面向 2020 年的战略选择. 北京 : 科学出版社,2013,94. 3 Gunar Schirner, Deniz Erdogmus, Kaushik Chowdhury et al. The 科学出版社,2013,95. 5 Zhiwei Xu, Guojie Li. Computing for the Masses. Communica tions of the ACM,2011, 54(10). 6 中国科学院. 科技发展新态势与面向 2020 年的战略选择. 北京 : 科学出版社,2013,10. 7 徐志伟, 李国杰. 普惠计算之十二要点. 集成技术, 2012,1(1): Xu Z W, Tu D D. Three new concepts of future computer science. Journal of computer science and tech-nology, 2011,26(4): DOI /s European Commission.Internet of Things Strategic Research Roadmap. IoT_Cluster_Strategic_Research_Agenda_2009.pdf[ ]. 10 European Commission. Human Brain Project NIST. Strategic R&D Opportunities for 21 st Century Cyber-Physical Systems. Systems020113_final.pdf[2013-1]. 12 General Electric.Introducing the Industrial Internet. ge.com/stories/industrial-internet[ ]. 13 Li Guojie. Information Science and Technology in China: A Roadmap to Beijing: Science Press(Berlin:Springer-Verlag), Future of Human in-the-loop Cyber-Physical Systems. IEEE Computer Society, Jan, 中国科学院. 科技发展新态势与面向 2020 年的战略选择. 北京 : 信息技术战略性先导科技专项启动. zyxw/yw/201208/t _ shtml. 未来电网将实现从交流向直流的重大变革 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆武汉分馆先进能源团队张军 ( zhangjun@mail.whlib.ac.cn) 陈伟 李桂菊审稿专家 : 中科院电工所肖立业研究员 1 可再生能源发展对电网技术提出挑战 随着可再生能源发电技术的发展, 以可再生 能源为主 终端能源以电力为主的清洁能源系统 格局将逐步形成 以 2012 年为例, 全球可再生能 源累计装机容量超过 GW( 其中非水电可再 566

22 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 生能源超过 480 GW), 同比增长 8.5%, 超过全球电力装机总量的 26%, 供应了全球 21.7% 的电量 太阳能发电装机容量突破 100 GW 大关, 成为仅次于水电和风电的第 [1] 三大可再生能源发电技术 可再生能源发电具有间歇性 波动性 分散性的特点, 大量接入集中式的可再生能源电站和分布式可再生能源电力, 对未来电网发展提出了挑战 2 输电技术的演变和特点 1882 年世界上建成的第一条输电线路是直流输电线路, 但由于早期直流输电功率损失大 变压困难, 很快被交流输电技术所取代 然而, 随着远距离大容量输电线路不断增加以及广域大电网的形成, 交流输电也遇到了技术瓶颈问题, 如固有的系统同步性 输电稳定性较差 输电效率相对较低等 同时, 交流大电网运行安全问题也日益突出 另一方面, 直流输电技术则随着高压换流技术及大功率电力电子器件的发展日益进步 20 世纪 50 年代以来, 高压直流输电技术 ( 简称 HVDC) 开始崭露头角, 该技术通过整流站将送端交流电能转换为直流电能, 通过直流线路将直流功率输送到逆变站, 再通过逆变站将直流电能转化交流电能送到受端交流系统的直流输电技术 其优点是 : (1) 高压直流输电系统架空线路只需正负两极导线, 可实现大功率 低损耗 长远距离电力的直接输送 ;(2) 可以实现交直流电力系统的并联输电或非同步联网, 通过调节有功功率, 有效抑制交流线路的功率振荡, 提供交流的暂态 动态稳定性能 ;(3) 通过改变送电端和受电端的运行方式, 控制系统潮流的大小和方向, 减少或避免大量过网潮流 ;(4) 长距离输电时, 直流电网建设投资低, 增容方便, 效益高 3 全球高压直流输电技术的发展 目前世界上已建和在建的高压直流输 [2] 电工程已达 100 多个, 对多端直流输电及直流电网技术的研究也日益深入 高压直流输电技术相关的重大突破也不断涌现 1997 年 ABB 公司首次采用大功率绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 研制了电压源换流器, 成功实现了可关断器件换流 这种直流输电技术具有无功有功可独立控制 无需滤波及无功补偿设备 可向无源负荷供电 潮流翻转时电压极性不改变等优势, 更适于构建多端直流输电及直流电网 2010 年西门子公司又成功研制出新型模块化多级 IGBT 换流器, 将数百个微型换流器整合在一起, 使容量等级提高到 兆瓦以上 直流电网的另一项瓶颈技术是直流断路器 2012 年,ABB 宣布他们已经在此方面取得了突破性进展, 研制成功 320kV 的直流断路器样机, 为直流电网的建设打下了良好的基础 近年来一些发达国家将电网现代化作为战略规划和研发部署的重点 2005 年欧盟建立智能电网技术平台, 此后陆续发布了 欧洲未来电网愿景与战略 (2006) [3] 欧洲未来电网战略研究议程 (2007) [4] 欧洲未来电网战略部署方案 (2010) [5], 又发布了 至 2035 年的智能电网战略研究议程 (2012) [6] 欧洲未来电网的设计中提出了超级电网 (Super Grid) 概念, 拟通过高密度高压直流电网建设, 将分散的各欧洲国家市场整合成欧洲通用电力市场, 并试图在非洲北部沙漠地区建设大规模太阳能发电基地, 通过高压直流线路引入欧洲 德国作为高压直流电网技术的领头羊, 2009 年公布了 2020 年能源政策路线图, 提出在 2015 年前投资 60 亿欧元对 km 的国家电网进行智能升级改造, 并新建 [7] 850 km 高压直流输电线路 随着德国民 院刊 567

23 用核电站将于 2022 年全部退役, 德国拟建立贯穿全国交流电网的 4 条高压直流线路, 将电力从风电资源丰富的北部地区输送至南部 2003 年美国能源部制定 电网 2030 [8] 和 国家输电技术路线图 [9] 提出设想, 采用超导技术 储能技术和直流输电技术的骨干电网构架, 将美国电网建设成为由全国性骨干网 区域电网 地方配电网和分布式微型电网构成的综合性电网 可以预计, 随着可再生能源日益成规模地接入电网, 未来电网将实现从交流运行模式向直流运行模式的转变 高压直流输电技术的发展, 还将改变数据通信等对功率密度 可靠性 稳定性要求更高的相关领域的供电模式, 从而对能源生产 输配和利用方式 电气行业的产业结构产生重大影响, 并孕育一批高新技术产业 4 中国对发展高压直流电网技术的重大需求 截至 2011 年底, 全国并网可再生能源发电装机容量达到 万千瓦, 占总装机容量的 4.89%; 并网可再生能源发电量 亿千瓦时, 约占总发电量的 2% 其中以风能为主, 并网风电约占并网可再生能源发电装机的 87.33%; 风电发电量约占并网可再生能源发电量的 78.38% 从长远看, 我国的可再生能源发电具有大规模发展的资源基础, 将在未来发挥主流甚至主导能源的作用 据统计, 每年全国陆地接收的太阳辐射总量相当于 亿吨标煤, 我国离地 10 米高的风能资源总储量约为 亿千瓦, 可开发利用风能储量约 10 亿千瓦 我国水能资源理论蕴藏量近 7 亿千瓦, 占我国常规能源资源量的 40% 随着我国可再生能源基地建设步伐的日益加快和规模的迅速扩大, 现有的交流电网越来越难以适应发展, 传统的电力装备 电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面也越来越力不从心, 对电网动态安全稳定性带来革命性挑战 为此, 必须采用新技术 新装备和新电网结构来满足未来能源格局的深刻变化 5 中国直流输电技术发展现状 我国高压直流电网技术发展起步较早 早在 1990 年 8 月就建成了葛洲坝 上海南桥 ±500 千伏直流输电工程 这是我国第一个大型直流输电工程, 其工程输送距离 公里, 额定输送容量 120 万千瓦 之后又陆续建设了三峡 常州 三峡 上海 三峡 广东 ±500 千伏直流输电工程, 直流线路全长 余公里 近年来以 建设强交强直的交直流互联电网架构 为指导思想, 我国开始推动特高压直流输电工程建设 2010 年 7 月向家坝 上海特高压直流输电示范工程成功投运, 并正在推进锦屏 苏南 哈密 郑州 溪洛渡 金华等特高压直流输电工程建设 根据国家电网规划, 拟构建华北 华东 华中 1 000kV 交流主网架, 与西北和东北送端电网通过直流异步相联, 所需的区外来电分别通过特高压直流和特高压交流输入 山西 蒙西 陕北 宁夏 锡盟等大型煤电 风电和四川水电以及沿海核电通过特高压交流接入, 西北 东北等地大型煤电 风电和西南大型水电通过特高压直流输 [10] 电通道送入 国家能源科技十二五发展规划 提出, 十二五 期间我国主要 FACTS 装置将实现国产化 ; 研制成短路故障限流器 直流断路器 电力电子变压器 超导储能系统 超导直流输电等示范系统 ; VSC-HVDC 直流换流器在 100kV 系统得到应用 预计中国将在直流电网基础理论和多端直流输电技术方面取得突破, 并在西北部可再生能源资源丰富地区建成区域直流电网, 实现区域可再生能源的规模化应用, 提高可再生能源的比例 6 中国直流电网技术发展展望 发展直流电网来解决中国未来可再生能源规模接入电网的问题是紧迫的任务 我国要在直流电网的理论体系和关键技术等方面实现系统性整体突破, 还需要解决一批关键科技问题 : 研究电网演化及未来直流电网的构造, 建立直流电网的安 568

24 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 全稳定性理论 ; 发展新型高性能传感器及其网络 直流电网的建模与仿真技术 直流电网云计算和海计算技术 广域直流网通用信息平台的构造及信息安全技术 ; 突破直流断路器及限流技术 广域直流网协调调度与优化运行控制 故障定位与网络重构 分布式电网及其接入 储能技术 超导电力技术等一批关键技术 ; 研制新型电力电子器件 高压大功率电力电子装备 新型电工材料等 中科院电工所对我国未来直流电网建设的合理性 网络架构和广域可再生能源资源互补利用模式及超导直流输电技术等开展了研究, 并启动了基于多种能源互补 ( 含多种储能系统 ) 的直流电网示范系统的建设, 并建成了 360 米 万安培级的超导直流输电示范工程 预计我国在 2020 年前, 可建立与中国国情相适应的直流电网理论体系和技术体系以及标准体系, 全面突破直流电网的关键技术, 为今后中国新一代电网发展奠定坚实基础 未来电网向直流运行模式的革命性转变, 将催生大量的科技创新机遇和一大批战略性新兴产业, 直流电网科技的系统性突破, 将为中国未来清洁能源体系的整体建立提供技术保障 参考文献 1 UNEP. 全球可再生能源投资趋势 European SmartGrids Technology Platform Vision and Strategy for Europe s Electricity Networks of the Future[R/OL]. vision.pdf. 4 European SmartGrids Technology Platform Strategic Research Agenda for Europe s Electricity Networks of the Future[R/OL]. documents/sra/sra_finalversion.pdf. 5 European SmartGrids Technology Platform Strategic Deployment Document for Europe s Electricity Networks of the Future[R/OL]. documents/smartgrids_sdd_final_april2010.pdf. 6 European Technology Platform SmartGrids SmartGrids Strategic Research Agenda (SRA) for RD&D needs towards2035[r/ol]. documents/ _sra2012.pdf. 7 Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety Energy Policy Road Map 2020[R/OL]. 8 U.S. Department of Energy Grid 2030 A National Vision for Electricity s Second 100 Years[R/ OL]. 9 U.S. Department of Energy National Electric Delivery Technologies Roadmap: Transforming the Grid to Revolutionize Electric Power in North America[R/OL]. 10 刘振亚, 张启平. 国家电网发展模式研究. 中国电机工程学报,2013,33(7). 院刊 569

25 1 光伏发电发展现状与挑战 太阳能光伏发电是太阳能发电技术中发展最为迅速且前景最被看好的发展方向 自 2008 年以来光伏发电装机容量年均增长率达 60%, 截至 2012 年底, 全球光伏累计装机量首次突破了 100 GW [1] 据国际能源署预测, 到 2050 年全球太阳能光伏发电量将占全球发电量约 11%, 每年能减少 [2] 约 23 亿 t 的 CO 2 排放 光伏发电也面临着重大挑战 太阳能能源密度较低, 且容易受日照时间 辐照强度等自然因素的影响 ; 其基本发电原理也限制了光伏系统的转换效率难以达到同常规能源发电一样的水平 ; 且材料 制造等方面的因素也导致了大规模光伏发电与常规能源相比, 在发电成本上处于明显劣势, 上网电价难以与水电 煤电 核电竞争 2 低成本光伏发电需要突破的关键科技问题 太阳能光伏发电将实现平价上网 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆武汉分馆先进能源团队陈伟 ( chenw@mail.whlib.ac.cn) 张军 李桂菊审稿专家 : 中科院广州能源所赵黛青研究员 蔡国田副研究员 能量转换效率的新概念 新机制研究 ; 光伏材料开发与性能改善 ; 光伏器件结构设计 ; 光伏材料和器件的制备与表征技术等 3 光伏发电的前景与未来 随着原材料价格下降 光伏发电产业技术的日益进步和全球光伏市场规模不断扩大, 已为光伏发电实现平价上网提供了产业和技术基础 目前第一代太阳电池以晶硅为材料, 成本高, 目前商业化后最高转换效率为 22%, 而且正进一步向高效率和薄片化发展 同时随着技术进步和制造规模的扩大, 第一代太阳能电池成本正迅速下滑, 晶硅组件价格已从 2006 年每瓦特约 4 美元降至 2012 年的 1 美元以下 第二代半导体薄膜太阳电池的实验室转化效率为 12%, 工业化发电效率为 8% 10%, 成本较第一代太阳能电池低并还在继续下降中, 如 2012 年其平均价格就下降了 20% [3], 未来将继续向高效率 稳定和长寿命方向发展 第三 现阶段光伏发电发展离不开政府补贴, 而要摆脱政策扶持, 实现基于市场经济规律的普及, 成为主要替代能源之一的关键在于大幅度降低发电成本, 使之达到发电成本与常规能源相当 降低光伏发电成本一般从以下几个方面着手 :(1) 降低规模化工业生产制造成本 ;(2) 提高太阳能电池主要材料硅的利用效率, 降低原料成本 ;(3) 大力发展新材料和新技术提高太阳能转化效率 其核心是提高电池转换效率的同时尽量降低其生产成本, 进而降低整体发电成本, 实现平价上网 关键科学问题在于如何提高太阳光的吸收率和光激发电子空穴的产生率, 以及有效促进光生电子 空穴的转移 涉及到的关键技术包括 : 提高太阳电池 代新概念太阳电池转换效率可达 35% 以上, 在未来 10 年有望取得突破, 使其电价可与传统能源相比拟 光伏发电已成为世界主要国家普遍关注和重点发展的战略性新兴产业 各国政府都在加大投入, 促进光伏科技突破和产业发展 美国计划到 2020 年光伏系统累计总装机量达到 7 GW, 总成本降低 75%, 达到约 1 美元 /W( 相当于 6 美分 /kwh), 使得到 2020 年与其他能源形式相比, 大规模光伏系统能在没有资金补贴的情况下具备市场竞争 [3] 力, 以促进全国范围内太阳能系统的广泛部署 欧盟光伏产业计划设定了到 2020 年光伏发电满足 12% 欧洲电力需求目标, 提出将传统交钥匙光伏 570

26 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 系统成本降至 1.5 欧元 /W 以下, 日照条件良好的南欧地区光伏发电成本达 7 14 欧分 / kwh [4] 日本提出的光伏发电路线图坚持以 实现电网平价 为理念, 设定了到 2017 年光伏发电成本降至 14 日元 /kwh 2025 年降至 7 日元 /kwh 的目标, 将太阳能光伏发电发 [5] 展成为主要能源之一 近年来, 我国太阳能光伏产业发展迅速, 已成为我国为数不多的 可以同步参与国际竞争并有望达到国际领先水平的行业, 形成了包括硅材料及硅片 光伏电池及组件 逆变器及控制设备的完整制造产业体系 在规划上,2009 年中科院就启动了太阳能行动计划, 重视在新原理 新方法 新材料 新工艺上的突破, 确定了 2015 年分布式利用 2025 年替代利用 2035 年规模利用共 3 个阶段目标 在 2012 年中国政府先后制定了 太阳能发电发展 十二五 规划 和 太阳能发电科技发展 十二五 专项规划, 2013 年 7 月 4 日又公布了 国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见 [6], 计划在 2015 年将太阳能光伏发电的装机容量提高到 35 GW, 预计中国可能在 2015 年实现光伏发电上网电价每度电 1 元的目标 同时计划在 2020 年使中国光伏装机总量达到 50 GW 甚至 100 GW, 在此背景下, 实现每度 电 元的目标 综上所述, 随着光伏发电效率不断提高且发电成本的不断降低, 预计到 2020 年前后, 光伏发电价格将降低到可以实现平价上网的程度 这一实现将会对可再生能源的利用产生非常积极的促进作用, 进而引发能源结构的重大变革 参考文献 1 REN21. Renewables Global Status Report GSR/2013/GSR2013_highres.pdf. 2 IEA. Technology Roadmaps - Solar photovoltaic energy DOE. SunShot Vision Study, energy.gov/solar/pdfs/47927.pdf. 4 European Photovoltaic Industry Association, European Photovoltaic Technology Platform, Solar PV European Industrial Initiative Implementation Plan. setis.ec.europa.eu/implementation/implementation-plans/ Solar_EII_PV_Implementation_Plan_final.pdf/at_ download/file. 5 NEDO. 太阳光发电ロ ドマップ(PV2030+) 概要版 pdf. 6 国务院. 国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见 content_ htm. 深层地热能将成为主要可再生能源之一 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆武汉分馆先进能源科技团队李桂菊 ( ligj@mail.whlib.ac.cn) 张军 陈伟审稿专家 : 中科院地质与地球物理所庞忠和研究员 地热能是蕴藏在地球内部的巨大自然 能源 地热能是一种清洁的能源, 其开发前 景十分广阔, 已成为 21 世纪能源发展中不 可忽视的可再生能源之一 院刊 571

27 1 主要科技内涵及意义 地热能包括浅层地热能和深层地热能 浅层地热能是指地球浅表层数百米内的土壤砂石和地 [1] 下水中蕴藏的低温热能, 在当前技术经济条件下可以得到充分的开发和利用 ; 而深层地热是指地球深层数千米 温度更高的深层地热能或干热岩资源 在干热岩开采技术基础上提出的增强型地热系统 (EGS) 近年来成为地热领域的研究重点 EGS 是指通过注入井注入水或其他工质流体 ( 比如 CO 2 等 ) 进行地下循环, 通过人工产生的连通裂隙带, 水与岩体接触被加热, 然后通过生产井返回地面, 形成一个闭式回路 EGS 是以工程措施建造地热储层, 从低渗透性岩体中经济地采出相当 [2] 数量的深层热能的人工地热系统 深层地热能具有稳定 连续 利用效率高等优势, 以开采和利用地下低渗透性结晶质干热岩中的热能为目标的 EGS 技术已成为许多国家新能源发展的重点方向 目前 EGS 还处于示范阶段, 未来 10 年是增强型地热系统发展的关键期 国际能源署 (IEA) 地热路线图报告建议各国政府提供持续充足的研发与示范资源, 以在未来 10 年规划和开发至少 50 个 EGS 中试厂 到 2020 年前后, 能够在 EGS 工程设计和开发方面取得重大突破, 实现干热岩地热能的示范应用 充分开发利用地热资源, 部分替代煤 石油等化石能源, 既可减轻环境污染, 又能缓解煤 电等资源紧张局面 2 当前世界进展 深层地热资源是绿色可再生能源, 在未来能源供应与 CO 2 减排上具有巨大潜力, 受到世界各国高度重视 近几年, 国际上对开发 EGS 的呼声日益高涨, 不仅投入巨资开展研究, 美 德 法 澳 日等国还建设了一批试验性 EGS 系统 根据美国地质调查局的估计, 美国可供开发的增强型地热资源潜力在 GW 之间 美国能源部在地热能领域的财政预算也在逐年增加 2013 年 4 月, 美国首个商业化增强型地热系 统项目 Desert Peak 实现并网发电, 将之前的 Desert Peak 地热发电厂装机容量增加了 1.7MW 能源部支持的 EGS 项目还有加利福尼亚州 Middletown 的 Calpine 示范项目及俄勒冈州 Newberry [3] Volcano 附近的 AltaRock 示范项目 美国在利用 CO 2 作为工质流体, 以及太阳能和地热联合发电等 [4] 领域也开展示范项目 澳大利亚是开展 EGS 研究最积极的国家之一 澳大利亚政府对地热技术给予政策优惠, 成立了全国地热能源组织和多个股份制地热公司, 在全国重点地区开展用 EGS 技术开发深层地热资源的现场试验 澳大利亚地球动力学公司正在位于库帕盆地的世界最大的 EGS 项目开展试验开发工作 该公司于 2013 年 5 月宣布其 1MWe 的 Habanero 示范厂成功实现 EGS 发电 澳大利亚十分重视 CO 2-EGS 研发, 在昆士兰大学投资 万澳元成立了地热能中心, 重点进行相关研发工作 德国 法国 英国 瑞士等国家在 20 世纪七八十年代相继开展 EGS 研究工作, 有代表性的是位于德法边界的苏茨项目, 该项目已积累了完整的 EGS 开发经验, 成为欧洲 EGS 示范项目和培训基地 欧盟第六框架 ( ) 资助了 10 个 EGS 项目, 欧盟第七框架计划 (FP7) 欧盟战略能源技术行动计划 (SET-Plan) 和欧洲地热能源工业协会开展地热能源关键技术的研发创新的联合资助 日本和欧美几乎同步开展了 EGS 研发工作 如 1974 年启动的阳光项目和 1993 年的新阳光计划开展了深部地热资源调查 勘探和水热动力学研究工作 近年来, 日本政府加大了对 EGS 的支持力度, 如开展全面的地热调查 勘探工作, 资助或补贴地热研发和试验研究活动 土耳其 肯尼亚和印度尼西亚等国家也是主 [5] 要的地热资源开发利用国家 但是, 在发展中国家和新兴经济体中, 由于可利用的技术 经济等条件有限, 地热资源尚未得到大规模的开发利用 3 中国的优势 我国地热利用以中低温地热 (<150 ) 开发和 572

28 未来 10 年世界可能发生的 22 个重大科技事件 直接利用为主, 热能利用总量持续 20 年世界第一 但是, 地热发电发展滞后, 目前居世界第 18 位 基本不具备 EGS 经验 我国在地热发电及 EGS 领域的前期投入不足, 干热岩勘探 开发示范工程尚未开展, 尚未形成国家层面的干热岩技术研发基地和装备条件 在利用二氧化碳作为工质流体的地热利用领域也处于基础研究阶段 目前, 中科院 高等院校 国土资源部们等纷纷展开相关研究, 工作主要集中在地热资源勘探与评价 EGS 流体与储热岩层的相互作用 换热机理及能量转换机理与技术等方面 中科院是地热资源勘查评价 地热能利用技术的相关研究与开发的单位, 率先完成了全国干热岩基础资源评价, 并且在 EGS 技术方面开展了基础研究 总之, 中科院在深层地热能开发利用研发上具有综合优势 4 未来标志性目标或成果 地热是第三大可再生能源资源, 目前占全球一次能源供应总量的比例为 0.5%, 占可再生能源供应的比例为 3.9% 在资源禀赋良好地区, 地热发电的成本非常具有竞争 [6] 力 根据美国地热能源协会 (GEA) 统计, 全球已并网的地热发电装机容量约 MW 2010 年全球地热能发电量是太阳能 的 2 倍 [7] 根据 IEA 地热路线图报告, 年期间, 地热能供热和发电量至少有 潜力增加 10 倍 如果通过一系列行动来鼓 励开发未被利用的地热资源和发展新技术, 到 2050 年地热能在全球电力生产和供热中 将分别占到 3.5% 和 3.9%( 不包括地源热 泵 ), 而目前的水平约为 0.3% 和 0.2% 参考文献 1 张越, 孙洁, 孙静. 河南省浅层地热能的开发利用. 河南 科技,2011(5):73. 2 创新 2050: 科学技术与中国的未来. 中国至 2050 年能源 科技发展路线图. 北京 : 科学出版社, geothermal-co2/. 5 IEA. Tracking Clean Energy Progress. publications/freepublications/publication/tracking_ Clean_Energy_Progress.pdf GEA_ International_Overview.pdf. 7 International Energy Agency papers/2011/geothermal_roadmap.pdf. 石墨烯将成为 后硅时代 的新潜力材料 整理撰稿人 : 中科院国家科学图书馆武汉分馆先进制造与新材料团队冯瑞华 ( fengrh@mail.whlib.ac.cn) 万勇审稿专家 : 中科院金属所谭若兵研究员 自 2004 年英国曼彻斯特大学利用 撕 胶带法 从石墨中剥离发现石墨烯以来, 引 发全球研究热潮, 石墨烯被认为是形成纳米 尺寸晶体管和电路的 后硅时代 的新潜力 院刊 573