2024年度“中国科学十大进展”解读

人民网北京3月28日电 (记者赵竹青)3月27日，国家自然科学基金委员会在2025中关村论坛年会开幕式上发布了2024年度“中国科学十大进展”。这些进展主要分布在数理天文信息、化学材料能源、地球环境和生命医学等科学领域。它们具体都实现了哪些突破，这些突破又意味着什么？

1. 嫦娥六号返回样品揭示月背28亿年前火山活动

月球正面和背面火山岩的分布差异极大，是月球二分性的重要体现。月球二分性是指月球正面和背面在形貌、成分、月壳厚度、岩浆活动多少等方面存在的显著差异。嫦娥六号任务首次实现月球背面采样返回，为人类研究月球背面火山活动提供了独有的素材。

中国科学院地质与地球物理研究所李秋立、中国科学院广州地球化学研究所徐义刚和中国科学院国家天文台李春来等报道了首批月球背面样品的研究成果。研究表明嫦娥六号月壤样品与位于月球正面的阿波罗任务和嫦娥五号任务返回样品存在巨大差异：嫦娥六号月壤密度明显偏低，粒度呈双峰式分布，铝和钙含量高，包含玄武岩、角砾岩、粘结岩、玻璃和浅色岩屑等，月壤的成分与当地玄武岩成分存在较大差异，显示月壤来源的复杂性；当地玄武岩属低钛低铝类型，Sr-Nd-Pb同位素显示其来自极度亏损的月幔源区，形成于约28亿年前的火山喷发。

此外，发现一期42亿年前的玄武质火山活动产物，指示月球背面南极-艾特肯盆地存在长期的火山活动历史。28亿年玄武岩的同位素年龄弥补了撞击坑统计定年曲线在20亿~32亿年间的数据空白。

嫦娥六号样品揭示了月球背面样品的独特性，填补了月球背面样品研究的历史空白，为研究月球背面火山活动、撞击历史和月球背面与正面地质差异提供了直接证据，开启了月球研究的新阶段。

2. 实现大规模光计算芯片的智能推理与训练

以大模型为代表的人工智能技术迅猛发展，对算力的需求呈现远超摩尔定律增长的趋势，新兴智能计算范式的发展迫在眉睫。光具备传播速度快、表征维度多、计算功耗低等物理特性。智能光计算用光子替代电子作为计算载体，以光的受控传播实现计算，有望对当前计算范式带来颠覆性的突破，成为新一代人工智能发展的国际前沿。针对大规模可重构智能光计算难题，清华大学方璐、戴琼海等摒弃传统电子深度计算的范式，首创分布式广度光计算架构，建立干涉-衍射联合传播模型，研制国际首款大规模通用智能光计算芯片“太极”，实现每焦耳160万亿次运算的系统级能量效率，首次赋能光计算实现自然场景千类对象识别、跨模态内容生成等通用人工智能任务。

训练和推理是AI大模型核心能力的两大基石，缺一不可。针对大规模神经网络的训练难题，该团队构建了光子传播对称性模型，摒弃电训练反向传播范式，首创全前向智能光计算训练架构，摆脱了对GPU离线训练的依赖，支撑智能系统的高效精准光训练。

太极系列芯片实现了大规模神经网络的高效推理与训练，相较于国际先进GPU(依赖7纳米先进光刻制程)，系统级能效提升了2个数量级，且仅需百纳米级制程工艺。

有望解决电子芯片痛点问题，以全新的计算范式破除人工智能算力困局，以更低的资源消耗和更小的边际成本，为人工智能大模型等高速高能效计算探索新路径。

3. 阐明单胺类神经递质转运机制及相关精神疾病药物调控机理

大脑神经元之间的信息传递是构成认知与情感功能的基础。神经递质“释放-回收-再填充”的循环过程是神经信号传递的关键环节。这一过程的紊乱与多种精神疾病的发生密切相关，如抑郁症、注意缺陷多动障碍等。神经递质转运体是一类专门负责神经递质跨膜运输的“快递员”，主要介导神经递质的循环过程，确保了神经信号的精准传递。因此调控神经递质转运体的活性成为治疗精神疾病的核心策略。然而，相关靶向药物存在副作用大和药物滥用等问题；人们对神经递质转运体工作机制的理解也尚不深入，因此缺乏精准设计精神疾病药物的基础。

中国科学院生物物理研究所赵岩团队，联合中国科学院物理研究所姜道华等，利用冷冻电镜技术揭开了多种关键神经递质转运体的神秘面纱，系统阐明了它们识别并转运神经递质多巴胺、去甲肾上腺素、甘氨酸和囊泡单胺的过程。此外，该研究揭示了神经递质转运体与多种精神疾病药物的精准作用机制，展现了不同神经递质转运体多样化、特异性的药物结合口袋，并发现了新型低成瘾性药物结合位点，为设计副作用小、成瘾性低的精神疾病治疗药物提供了结构基础。

该进展不仅深化了对神经递质介导大脑信息传递的理解，也为开发更高效、更安全的精神疾病药物奠定了基础，具有重要的临床转化价值。

4. 实现原子级特征尺度与可重构光频相控阵的纳米激光器

晶体管依托电子，激光器依托光子。电子和光子作为两类基本粒子，均可用于承载能量与信息。电力的广泛应用推动了工业革命和现代化进程，极大提升了社会生产力；而作为信息载体的电子芯片，则催生了信息技术革命，引领人类迈入数字化时代。

激光技术在两个方向上不断拓展：一方面，向超高功率发展，例如用于可控核聚变的中国神光激光装置。正如钱学森的形象描述，这一技术相当于在地球上创造一个“小太阳”，未来有望提供稳定而持久的清洁能源。另一方面，激光器的微型化趋势日益加速。正如晶体管的微缩推动了电子芯片的发展，微型激光器的进步极大促进了光子技术的革新。

在这一背景下，北京大学马仁敏等提出奇点色散方程，建立了介电体系突破衍射极限的理论框架，并成功研制出模式体积最小的激光器——奇点介电纳米激光器，首次将激光器的特征尺度推进至原子级别。此外，他们还基于纳米激光器构建可重构光频相控阵，使得纳米激光器阵列可以“同步起舞”，生成可重构的任意相干激射图案。

相较于常规激光器，纳米激光器具有小体积、低能耗等特点，在信息技术、传感探测等领域具有广阔的应用前景。

5. 发现自旋超固态巨磁卡效应与极低温制冷新机制

超固态是一种在极低温环境下涌现的新奇量子物态，其独特之处在于同时具备固体与超流体的双重特性，并通过量子叠加效应共存于同一系统中。经多年研究，除冷原子气模拟实验取得进展外，在固体物质中尚未能寻觅到超固态存在的确凿实验证据。因此，在《科学》杂志创刊125周年之际公布的全世界最前沿的125个科学问题中，“固体中是否可能存在超流现象？如何实现？”被列为其中之一。

中国科学院理论物理研究所/中国科学院大学苏刚、李伟，中国科学院物理研究所孙培杰和北京航空航天大学金文涛等在三角晶格阻挫量子磁体磷酸钠钡钴中取得了重大突破。研究发现该阻挫量子磁体实现超固态的磁性对应，即自旋超固态。中子谱学给出了其固态序和超流序共存的证据，与理论预测高度符合，这是首次在固体材料中找到自旋超固态存在的可靠实验证据。

团队还发现该自旋超固态的巨磁卡效应，利用其强涨落的量子特性，在磁场调控下成功实现了94mK(零下273.056摄氏度)的极低温，开辟了无氦-3极低温固体制冷新途径。目前，所研发的固态制冷测量器件已实现无氦-3条件下的极低温电导测量，最低测量温度达到25mK。

量子材料固态制冷技术的不断发展，有望为量子科技、空间探测等国家重大需求提供重要的技术支撑。

6. 异体CAR-T细胞疗法治疗自身免疫病

长期以来，彻底治愈红斑狼疮、硬皮病、多发性硬化症等自身免疫性疾病，是全球共同面临的医学难题。现有免疫抑制药物虽然可在一定程度上缓解病情，但可能带来严重的副作用。自体CAR-T疗法在自身免疫病的治疗中已初显疗效，但与自体CAR-T疗法不同，同种异体CAR-T细胞具有显著的优势，因为它们具备“异体通用性”，即可以使用标准化的异体细胞产品为不同患者提供治疗，无需个性化制备，简化了治疗流程并提高了可及性。

海军军医大学第二附属医院(上海长征医院)徐沪济、华东师范大学杜冰、浙江大学医学院附属第二医院吴华香和华东师范大学刘明耀等创新性地对来自健康供者的细胞进行基因编辑后研制出异体通用型CAR-T细胞，在保障安全的前提下，成功治疗了2例严重难治性硬皮病和1例炎性肌病患者，取得显著疗效，对广泛使用CAR-T细胞疗法和降低其治疗费用起到极大的推动作用。

CAR-T细胞疗法有望成为治疗多种免疫系统疾病的常规治疗手段，为细胞治疗产品的研发带来新思路。

7. 额外X染色体多维度影响男性生殖细胞发育

人类性染色体存在差异：男性为XY，女性为XX。X染色体包含约1000个基因，而Y染色体仅有约50个基因。为维持X染色体基因表达的平衡，女性细胞会随机失活一条X染色体。若这种平衡被打破，可能引发疾病。例如，克氏综合征患者性染色体为XXY，是导致男性不育最常见的遗传病因之一，其生殖细胞在青春期前就大量丢失。尽管其病因在1959年就已确定，但生殖细胞丢失之前发生了什么，何时出现发育异常，以及X染色体如何发挥作用，此前并不清楚。

北京大学乔杰、袁鹏、闫丽盈、魏瑗等研究发现，克氏综合征患者的生殖细胞早在胎儿期就已经出现严重的发育阻滞，并且从多维度揭示其中的机制：在克氏综合征患者的生殖细胞中，额外X染色体未失活，导致X染色体基因表达过量，从而引发与维持细胞幼稚状态相关的基因(如WNT和TGF-β通路、多能性、有丝分裂基因)表达上调，而与生殖细胞分化相关的基因(如减数分裂、piRNA代谢、癌睾基因)表达下调，最终导致发育阻滞。该团队还发现抑制TGF-β通路可以促进克氏综合征胎儿生殖细胞分化，为克氏综合征不育症的早期治疗提供重要的理论基础。

该研究不仅为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，也为早期治疗提供了重要的理论依据。

8. 凝聚态物质中引力子模的实验发现

引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种神奇现象，它由时空的剧烈扰动产生，其基本量子特征表现为自旋为2的引力子。近年来，物理学家将广义相对论中的几何描述方法引入到凝聚态物理的某些体系中，特别是在分数量子霍尔系统中。如果扰动这些系统的量子空间测度，可能会涌现出类似“引力波”的现象。这些现象的量子特征与引力子相似，被称为引力子模，是一种自旋为2的低能集体激发模式。

南京大学杜灵杰等搭建了极低温强磁场共振非弹性偏振光散射平台。实验使用的样品是砷化镓半导体量子阱，其中的两维电子气在强磁场下形成分数量子霍尔液体。实验测量是一个双光子拉曼散射过程，入射光子被量子液体吸收，然后量子液体再发射出一个光子。由于光子自旋为1，不同自旋的入射及出射光子可以产生自旋为0及+2和-2的元激发，自旋只为+2或-2的激发就是引力子模。最终在分数量子霍尔液体中首次成功观察到引力子模，并发现其具有手性。这是首次探测到具有引力子特征的准粒子。该实验结果从两维空间角度证实了度规扰动的量子是自旋2的低能激发，进而让凝聚态材料成为探索宇宙尺度物理的“人造”实验室，提供了探索解决量子引力问题的新思路。

证实分数量子霍尔效应全新的几何描述，开辟了关联物态几何实验研究的新方向，有望对探测半导体电子系统的微观结构及实现拓扑量子计算起到推动作用。

9. 高能量转化效率锕系辐射光伏微核电池的创制

大量核废料中含有半衰期长达数千年到百万年的锕系核素，长期被视为环境负担。苏州大学王殳凹、王亚星和西北核技术研究所/湘潭大学欧阳晓平等提出一种新型锕系辐射光伏核电池的技术方案，通过创新设计将核废料中锕系核素衰变释放的能量转化为持久电能，实现变废为宝。

传统辐射光伏核电池在利用锕系核素衰变能时，会受到α粒子自吸收效应的限制，导致能量转换效率较低，难以充分发挥锕系核素所蕴含的巨大能量。为突破这一瓶颈，该团队通过引入“聚结型能量转换器”概念，在分子级别上将放射性核素与能量转换单元紧密耦合，从根本上克服了自吸收效应，大幅提升了衰变能转换效率。实验中，研究团队将核废料中关键的锕系核素243Am均匀掺入稀土发光配位聚合物晶格中，形成紧密耦合的晶体结构。结果表明，在1%的243Am掺杂条件下，该材料在内辐照下可产生肉眼可见的自发光，其衰变能到光能转换效率可达3.43%。进一步结合钙钛矿光伏电池后，总能量转换效率突破0.889%，单位活度功率可达139μW·Ci-1，并在连续运行200小时的测试中展现出优异的性能稳定性。

这一锕系辐射光伏核电池设计思路，在锕系元素化学与能量转换器件之间架起桥梁，兼具基础研究深度和潜在应用前景，为高效微型核电池开发提供了理论基础，也为放射性废物的资源化利用提供了新的思路。

10. 发现超大质量黑洞影响宿主星系形成演化的重要证据

星系是宇宙结构的基本组成单元。星系之所以发光，主要是因为其内部含有数千亿颗恒星。按照星系恒星形成能力的强弱，天文学家一般把星系分为两类：较为年轻、能够持续产生新的恒星的“恒星形成星系”(如银河系)，以及较年老、几乎没有新的恒星形成的“宁静星系”(比如M87星系)。研究恒星形成星系如何转变为宁静星系，即星系如何由“生”到“死”的问题，是星系宇宙学的核心任务之一。

围绕这一核心任务，约半个世纪前科学家就提出星系的中心黑洞在成长过程中释放的巨大能量对星系的形成演化有重要影响。经过近半个世纪的发展，这一理论已成为当前主流星系形成演化模型的共识。然而，长期以来黑洞如何影响星系的形成演化一直缺乏明确的观测证据，这也成为当前亟待解决的重要科学问题。

针对这一重要科学问题，南京大学王涛等创新性地开始探索中心黑洞质量与星系冷气体含量之间的关系。该研究首次揭示中心黑洞的质量是调制星系中冷气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其冷气体含量越低，而冷气体又是星系中恒星形成的原料，因此这一发现对中心黑洞影响星系形成演化提供了重要的观测证据。很大程度上中心黑洞影响宿主星系的恒星形成是通过从源头上限制恒星形成的原料——冷气体的含量来实现的。

该结果阐明了宁静星系普遍具有一个较大质量中心黑洞的原因，确立了中心黑洞在调控星系生命周期中的核心地位，向最终解开星系生死转变的谜团迈出坚实一步。