祝融號火星車
1月18日，由中國科學院院士和中國工程院院士投票評選的2021年中國十大科技進展新聞、世界十大科技進展新聞在京揭曉。天問“探火”、中國空間站、二氧化碳到澱粉的從頭合成等成果入選中國十大科技進展新聞；全球首個“自我複製”活體機器人誕生、核聚變向“點火”邁進一大步等成果入選世界十大科技進展新聞。
在中國十大科技進展新聞中，“我國首次火星探測任務取得圓滿成功”“中國空間站開啟有人長期駐留時代”“嫦娥五號樣品重要研究成果先後出爐”等三項中國航天領域重要成果入選，展現宇宙中的中國身影。
“我國實現二氧化碳到澱粉的從頭合成”“我國團隊憑打破‘量子霸權’的超算應用摘得2021年度‘戈登貝爾獎’”“我國科學家觀測到迄今最高能量光子”“異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破”等重大科技進展也同時入選，體現了中國科學家實現原創性突破、打破技術壟斷的成果。
本次評選由中國科學院、中國工程院主辦，中國科學院學部工作局、中國工程院辦公廳、中國科學報社承辦。此項年度評選活動至今已舉辦了28次，使公眾進一步瞭解國內外科技發展的動態，對普及科學技術起到了積極作用。
2021年中國十大科技進展新聞
1.我國首次火星探測任務取得圓滿成功
6月11日，國家航天局在京舉行天問一號探測器著陸火星首批科學影像圖揭幕儀式，公佈了由祝融號火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學影像圖的釋出，標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。據悉，我國首次火星探測任務於2013年全面啟動論證，2016年1月批准立項。2020年7月23日天問一號探測器於海南文昌成功發射，歷經地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等階段，工程任務按計劃順利開展。
2.中國空間站開啟有人長期駐留時代
6月17日和10月16日，神舟十二號、神舟十三號載人飛船相繼發射成功，順利將航天員送入太空。神舟十二號與天和核心艙對接形成組合體，3名航天員進駐核心艙，進行了為期3個月的駐留，開展了一系列空間科學實驗和技術試驗，在軌驗證了航天員長期駐留、再生生保、空間物資補給、出艙活動、艙外操作、在軌維修等空間站建造和運營關鍵技術。神舟十三號入軌後，與天和核心艙和天舟二號、天舟三號組合體完成自主快速交會對接，3位航天員開啟為期6個月的在軌駐留，其間將開展機械臂操作、出艙活動、艙段轉位及空間科學實驗與技術試驗等工作，進一步驗證航天員長期在軌駐留、再生生保等一系列關鍵技術，中國空間站有人長期駐留時代到來。
3.我國實現二氧化碳到澱粉的從頭合成
澱粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是麵粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是重要的工業原料。其主要合成方式是由綠色植物透過光合作用固定二氧化碳來進行。長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率，最終提升澱粉的生產效率。中國科學院天津工業生物技術研究所研究人員提出了一種顛覆性的澱粉製備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料，成功生產出澱粉，在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成，使澱粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能，取得原創性突破。相關研究成果9月24日線上發表於《科學》雜誌。
4.我國團隊憑打破“量子霸權”的超算應用摘得2021年度“戈登貝爾獎”
11月18日下午於美國密蘇里州聖路易斯舉行的全球超級計算大會（SC21）上，國際計算機協會（ACM）將2021年度“戈登貝爾獎”授予中國超算應用團隊。這支由之江實驗室、國家超算無錫中心等單位研究人員組成的聯合科研團隊，基於新一代神威超級計算機的應用“超大規模量子隨機電路實時模擬”（SWQSIM）獲此殊榮。在這項工作中，研究人員引入了一個系統的設計過程，涵蓋了模擬所需的演算法、並行化和系統架構。使用新一代神威超級計算機，研究團隊有效模擬了一個深度為10x10 (1+40+1)隨機量子電路。與谷歌量子計算機“懸鈴木”200秒完成百萬0.2%保真度取樣任務相比較，“頂點”需要一萬年完成同等複雜度的模擬，該團隊SWQSIM應用則可在304秒以內得到百萬更高保真度的關聯樣本，在一星期內得到同樣數量的無關聯樣本，一舉打破其所宣稱的“量子霸權”。
5.1400萬億電子伏特！我國科學家觀測到迄今最高能量光子
中國科學院高能物理研究所牽頭的國際合作組依託國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”，在銀河系內發現12個超高能宇宙線加速器，並記錄到能量達1.4拍電子伏（PeV，拍=千萬億）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，揭示了銀河系內普遍存在能夠把粒子加速到超過1PeV的宇宙線加速器，開啟了“超高能伽馬天文”觀測時代。相關成果5月17日發表於《自然》。
6.嫦娥五號樣品重要研究成果先後出爐
10月19日，中國科學院釋出嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果。中國科學院地質與地球物理研究所和國家天文臺主導，聯合多家研究機構透過3篇《自然》論文和1篇《國家科學評論》論文，報道了圍繞月球演化重要科學問題取得的突破性進展。在最新的研究中，科研人員利用超高空間解析度鈾—鉛（U-Pb）定年技術，對嫦娥五號月球樣品玄武岩岩屑中50餘顆富鈾礦物（斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石）進行分析，確定玄武岩形成年齡為20.30±0.04億年，表明月球直到20億年前仍存在岩漿活動，比以往月球樣品限定的岩漿活動延長了約8億年。研究顯示，嫦娥五號月球樣品玄武岩初始熔融時並沒有捲入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質”，嫦娥五號月球樣品富集“克里普物質”的特徵，是由於岩漿後期經過大量礦物結晶固化後，殘餘部分富集而來。這一結果排除了嫦娥五號著陸區岩石的初始岩漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期岩漿活動過程。據悉，此次研究採用的超高空間解析度的定年和同位素分析技術處於國際領先水平，為珍貴地外樣品年代學等研究提供了新的技術方法。
7.異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破
隨著世界人口的快速增長，至2050年糧食產量或將增加50%才能完全滿足需求。與此同時，近年來世界氣候變化加劇，全球氣候變暖、極端天氣頻發等都為糧食安全帶來了巨大挑戰。在此背景下，如何進一步提高作物單產成為亟待解決的嚴峻問題。中國科學院種子創新研究院／遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，從而大幅提升糧食產量並增加作物環境變化適應性。本項研究為未來應對糧食危機提出了一種新的可行策略，開闢了全新的作物育種方向。相關研究成果2月4日發表於《細胞》。
8.我國研發成功-271℃超流氦大型低溫製冷裝備
4月15日，由中國科學院理化技術研究所承擔的國家重大科研裝備研製專案“液氦到超流氦溫區大型低溫製冷系統研製”透過驗收及成果鑑定，標誌著我國具備了研製液氦溫度（零下269攝氏度）千瓦級和超流氦溫度（零下271攝氏度）百瓦級大型低溫製冷裝備的能力，可滿足大科學工程、航天工程、氦資源開發等國家戰略高技術發展的迫切需要。專案的成功實施，還帶動了我國高階氦螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等行業的快速發展，提高了一批高科技製造企業的核心競爭力，使相關技術實現了從無到有、從低端到高階的提升，在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產業群。
9.植物到動物的功能基因轉移首獲證實
中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊經過20年追蹤研究，發現被聯合國糧農組織（FAO）認定的迄今唯一“超級害蟲”煙粉蝨，具有一種類似“以子之矛、攻子之盾”的本領：其從寄主植物那裡獲得了防禦性基因。這是現代生物學誕生100多年來，首次研究證實植物和動物之間存在功能性基因水平轉移現象。相關科研成果3月25日線上發表於《細胞》，並作為《細胞》封面文章於4月1日出版。這是我國農業害蟲研究領域在《細胞》雜誌的首篇論文，揭示了昆蟲如何利用水平轉移基因來克服宿主的防禦，為探索昆蟲適應性進化規律開闢了新的視角，也為新一代靶標基因導向的煙粉蝨田間精準綠色防控技術研發提供全新思路。
10.稀土離子實現多模式量子中繼及1小時光儲存
量子不可克隆定律賦予了量子通訊基於物理學原理的安全性。而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統的放大器來克服，使得遠端量子通訊成為當今量子資訊科學的核心難題之一。量子中繼和可移動量子儲存是實現遠端量子通訊的兩種可行方案，其共性需求是高效能的量子儲存器。在量子中繼方面，國際已有實驗研究都聚焦於發射型儲存器的架構，無法同時滿足確定性發光和多模式複用這兩個關鍵技術需求。可移動量子儲存方面，國際上光儲存的時間最長僅1分鐘，無法滿足可移動量子儲存小時量級儲存時間的需求。中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組基於稀土離子摻雜晶體研製出高效能的固態量子儲存器，並在上述兩條技術路線上取得了重要進展，實現了一種基於吸收型儲存器的多模式量子中繼，併成功將光儲存時間提升至1小時。相關成果於4月22日和6月2日分別發表於《自然—通訊》和《自然》。
2021年世界十大科技進展新聞
1.全球首個“自我複製”的活體機器人誕生
美國佛蒙特大學、塔夫茨大學和哈佛大學威斯生物啟發工程研究所的科學家發現了一種全新的生物繁殖方式，並利用其創造了有史以來第一個可進行自我複製多代的活體機器人——Xenobots 3.0。它僅有毫米大小，既不是傳統的機器人，也不是已知的動物物種，而是一種從未在地球上出現過的、活的、可程式設計的全新有機體。據悉，該活體機器人或許可以有助於醫學的全新突破——除了有望用於精準的藥物遞送之外，它的自我複製能力也使得再生醫學有了新的幫手，或可為出生缺陷、對抗創傷、癌症與衰老提供開創性的解決思路。11月29日，相關研究成果發表於美國《國家科學院院刊》。
2.核聚變向“點火”邁進一大步
我們在地球上之所以能看到陽光、感受到溫暖，都是源自於發生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當原子合併在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實驗室裡實現核聚變並非易事，一個重大的挑戰就是“點火”（即聚變反應所產生的能量等於或超過輸入能量的時刻）。8月8日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）進行了一項新的實驗。NIF的科學家團隊重現了存在於太陽核心的極端溫度和壓力，NIF的強大的鐳射脈衝引發了燃料丸的核聚變爆炸，產生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大約相當於一輛時速160公里的汽車的動能。這一能量達到觸發該過程的鐳射脈衝能量的70%，意味著接近核聚變“點火”，即反應產生的能量足以使反應持續下去，在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。
3.科學家藉助AI技術破解蛋白質結構預測難題
科學家們一直希望透過基因序列簡單地預測蛋白質形狀——如果能夠成功，這將開啟一個洞察生命運作機理的新世界。美國華盛頓大學和英國DeepMind公司分別公佈了多年工作的成果：先進的建模程式，可以預測蛋白質和一些分子複合物的精確三維原子結構，並將這些結構放入公開的資料庫免費供全球科研人員使用。據DeepMind公司報告顯示，其人工智慧程式AlphaFold預測出98.5%的人類蛋白質結構，有助於深入理解一些關鍵生物學資訊，從而更好開展藥物研發。而美國華盛頓大學建立的高精確的蛋白質結構預測程式名叫RoseTTAFold，基於深度學習，它不僅能預測蛋白質的結構，還能預測蛋白質之間的結合形式。僅需十分鐘，RoseTTAFold就能用一臺遊戲電腦準確計算出蛋白質結構。相關論文於7月15日分別刊登於《自然》和《科學》。
4.“基因剪刀”首次治療遺傳病
一直以來，人們若要使用被稱為“基因剪刀”的CRISPR基因編輯技術治療遺傳疾病，需要清除一個巨大的障礙：將分子剪刀工具直接注射到受影響的細胞中，從而實現DNA切割。英國倫敦大學研究人員發現CRISPR技術能使一種突變基因失活。研究首次將CRISPR藥物注射到一種罕見遺傳病（轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性病）患者的血液中，並發現其中3人的肝臟幾乎停止產生有毒的蛋白質。雖然目前還不能確定CRISPR治療是否能緩解該疾病的症狀，但初步資料讓人們對這種一次性治療的效果感到興奮。相關研究結果5月28日發表於《新英格蘭醫學雜誌》。據悉，這項新工作在能夠滅活、修復或替換身體任何部位的致病基因方面，邁出了關鍵的第一步。
5.史上最冷反物質問世
加拿大國家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara團隊與合作者在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織粒子物理實驗室進行了一項名為ALPHA-2的反氫捕獲實驗，演示了反氫原子的鐳射冷卻，將樣品冷卻到了接近絕對零度。鐳射冷卻經常被用來測量常規原子的能量躍遷——電子運動到不同能級。該團隊開發了一種鐳射，它能以適當的波長髮射被稱為光子的光粒子，從而降低正在直接朝向鐳射移動的反原子的速度。研究人員將反原子的速度降低到1/10以下。對於冷卻的反氫原子，該團隊獲得的測量精度幾乎是未冷卻的反原子的3倍。該研究產生了比以往任何時候都更冷的反物質，並使一種全新的實驗成為可能，有助於科學家在未來更多地瞭解反物質。相關研究成果3月31日刊登於《自然》。
6.“芝麻粒”大小心臟模型問世
奧地利科學院生物學家Sasha Mendjan和團隊使用人類多能幹細胞培養出芝麻大小的心臟模型，又稱心臟線。它可以自發地進行組織，在不需要實驗支架的情況下發展出一箇中空的心房。Mendjan團隊以特定的順序啟用所有參與胚胎心臟發育的6個已知訊號通路，誘導幹細胞自我組織。隨著細胞分化，它們開始形成不同的層——類似心臟壁的結構。經過一週的發育，這些類器官自組織成一個有封閉腔的3D結構，幾乎重現了人類心臟的自發生長軌跡。此外，研究小組還發現心臟壁狀組織能有節奏地收縮，擠壓腔內的液體。該團隊還測試了心臟類器官對組織損傷的反應。他們用一根冷鋼棒冷凍部分心臟類器官，並殺死該部位的許多細胞，研究發現，心臟成纖維細胞（一種負責傷口癒合的細胞）開始向損傷部位遷移，併產生修復損傷的蛋白質。相關研究5月20日發表於《細胞》，這項進展使得科學家能創造出一些迄今為止最真實的心臟類器官，為製藥公司將更多藥物引入臨床試驗提供了可能。
7.科學家利用人工智慧實現兩項數學突破
純數學研究工作的關鍵目標之一是發現數學物件間的規律，並利用這些聯絡形成猜想。從20世紀60年代開始，數學家開始使用計算機幫助發現規律和提出猜想，但人工智慧系統尚未普遍應用於理論數學研究領域。12月1日，一篇發表在《自然》上的論文顯示，DeepMind公司研發出一個機器學習框架，能幫助數學家發現新的猜想和定理。此前，該框架已經幫助發現了不同純數學領域的兩個新猜想。研究人員將這一方法應用於兩個純數學領域，發現了拓撲學（對幾何形狀性質的研究）的一個新定理，和一個表示論（代數系統研究）的新猜想。研究人員表示，這是計算機科學家和數學家首次使用人工智慧來幫助證明或提出複雜數學領域的新定理。
8.科學家成功在實驗室中構建人類早期胚胎樣結構
美國得克薩斯大學達拉斯西南醫學中心研究人員領銜的團隊成功用人多能幹細胞分化誘匯出人類早期胚胎樣結構。該結構與人囊胚期胚胎具有類似的結構，能正確表達相應的基因與蛋白，並且可在體外發育2至4天，形成類羊膜囊等結構。相關研究成果3月17日刊登於《自然》。據介紹，藉助人類早期胚胎樣結構，研究人員能深入研究胚胎的早期發育，更加了解人類早期重大疾病造成的流產、畸形兒、女性受孕障礙等現象，併為其尋找可行的解決方案。此外，研究人員還可以透過這項技術建立藥物篩選模型，為進入臨床應用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測。
9.鐳射傳輸穩定自如創世界紀錄
澳大利亞國際射電天文學研究中心（ICRAR）和西澳大利亞大學（UWA）等機構的研究人員創造了在大氣層中最穩定傳輸鐳射訊號的世界紀錄。該團隊將相位穩定技術與先進的自導向光學終端相結合，實現了此次最穩定的鐳射傳輸。新技術有效地消除了大氣湍流，允許鐳射訊號從一個點發送到另一個點，而不會受到大氣的干擾。這一結果是用一個透過大氣傳輸的鐳射系統比較兩個不同地點間時間流動的全球最精確的方法。相關論文1月22日發表於《自然—通訊》。據悉，這項研究有廣闊的應用前景，可以用來精確地檢驗愛因斯坦的廣義相對論，或者發現基本物理常數是否隨著時間而變化。同時，這項技術的精確測量能力在地球科學和地球物理學中也有實際用途，可以改進有關地下水位如何隨時間變化的衛星研究或尋找地下礦藏。此外，該技術在光通訊領域的應用可以將衛星到地面的資料傳輸速率提高几個數量級，下一代大型資料收集衛星能更快地將關鍵資訊傳送到地面。
10.科學家“繪製”最清晰原子“特寫”
美國康奈爾大學的Muller團隊捕捉到了迄今為止最高解析度的原子影象，打破了其2018年所創下的紀錄。據悉，Muller團隊使用疊層成像技術，用X射線照射鈧酸鐠晶體，然後利用散射電子的角度來計算散射它們的原子的形狀。這些進步使得研究小組能夠觀察更稠密的原子樣本，並獲得更好的解析度。據瞭解，這種最新形式的電子疊層成像分析技術使科學家可以在所有三個維度上定位單個原子。研究人員還將能夠一次發現異常結構中的雜質原子，並對它們及其振動進行成像。相關論文5月21日刊登於《科學》。
