今年、私たちは科学の頂点に向かっています

時は流れ、季節は移り変わります。あっという間に2023年も終わりを迎えます。今年は私たちに多くの記憶に残る瞬間を残しました。中国の科学者は51個の超伝導量子ビットの真のエンタングルメントを準備し、検証することに成功し、超伝導量子コンピューティングシステムの優れたスケーラビリティを完全に実証しました。モジ・サーベイ望遠鏡が天体観測を開始し、アンドロメダ銀河との「初出現」を成し遂げた。世界初の非ヒト霊長類介入型脳コンピューターインターフェース実験が成功裏に完了し、脳コンピューターインターフェースの未来が到来しました...

振り返ってみると、我が国の科学研究者は勇敢に頂点に登り詰め、次々と新たな記録を打ち立ててきました。未来を見据えて、最先端の技術を追求し、イノベーションを推進する人は、さらに多くの驚きを得るでしょう。

100Mbit/sの量子鍵配送の実現

ビットレートの国際記録は桁違いに向上した

量子力学の基本原理に基づき、量子鍵配布は原理的に無条件に安全な機密通信を実現できます。中国の科学者らは、高忠実度統合フォトニクス量子状態制御や高計数率超伝導単一光子検出などの重要技術を開発し、世界で初めて数百メガビットの速度でのリアルタイム量子鍵配布を実現した。実験結果により、これまでのコーディング速度の記録が 1 桁向上しました。この成果論文は3月14日、国際学術誌「ネイチャーフォトニクス」オンライン版に掲載されました。

量子鍵配布は、ネットワークに追加のリンクを追加することと簡単に理解できます。情報を送信する前に、両者はパスワード検証に合格してセキュリティを確保します。量子鍵配送の実用化には、符号化率の向上が不可欠です。高いビットレートにより、より多くのユーザーにサービスを提供でき、ビッグデータ共有、分散ストレージ暗号化など、高帯域幅を必要とするアプリケーションを実現できます。

これまで、世界最高のリアルタイム符号化速度は、10キロメートルの標準光ファイバーチャネル上で毎秒10メガビットでした。中国の科学者らは、集積光子チップ上の高速かつ高忠実度の偏光状態変調などの技術で画期的な進歩を遂げ、10キロメートルの標準光ファイバーチャネルで毎秒115.8メガビットのキーレートを達成した。これは、これまでの記録を約1桁上回るものだ。システムは、伝送距離 328 キロメートルで 200 ビット/秒以上のビットレートで 50 時間以上安定して動作しました。

毎秒100メガビットのビットレートでリアルタイムの鍵配布を実現することで、データセキュリティ要件の高い分野で新たな機会が生まれ、高帯域幅通信や将来の量子通信の大規模な実用化が促進され、量子鍵配布技術が現実のものとなります。

室温で超高速の水素イオン伝導体を開発

新しい電池の開発に活用できる

4月に中国の科学者たちは新たな材料設計・開発戦略を提案した。研究チームは機械化学的手法により、希土類水素化物であるランタン水素化物の格子内に多数の欠陥とナノ結晶を意図的に作り出し、室温で動作する初の超高速水素イオン伝導体を開発しました。関連の研究論文は4月5日にネイチャー誌に掲載された。

水素イオンは、強い還元性と高い酸化還元電位という特性を持ち、潜在的な水素キャリアおよびエネルギーキャリアです。室温で超イオン伝導を示す水素イオン伝導材料は、新たな全固体水素化物電池や燃料電池の構築に大きな可能性をもたらし、将来的に一連の技術革新を実現することが期待されています。

20 世紀初頭、研究者たちは色が変わるガラスの研究で、ランタン水素化物は水素を急速に移動する能力があるだけでなく、電子伝導性も非常に高いことを発見しました。近年、研究者らはランタン水素化物格子に酸素を導入してオキシ水素化物を形成し、電子伝導を阻害しているが、酸素の導入は負の水素イオンの伝導も著しく妨げる。これまで報告されていた水素アニオン伝導体は約300℃でしか超高速伝導を達成できませんでしたが、中国の科学者の革新的な研究により、穏やかな条件（温度範囲-40℃～80℃）での超高速イオン伝導が実現しました。さらに、研究者らは初めて常温全固体水素イオン電池の放電にも成功し、この新しい二次電池の実現可能性を確認した。

研究者らが確立した物質構造変調法は一定の普遍性を有しており、水素アニオン伝導体の研究開発に新たな展望を開くものと期待される。 Nature の査読者は、この研究は非常に興味深く斬新な研究アプローチを示しているとコメントしました。

非ヒト霊長類介入試験が成功

脳コンピュータインターフェースを研究室から応用まで推進

脳とコンピューターのインターフェースの未来が到来し、人間と人工知能の共生ももう遠くないかもしれません。 5月4日、世界初となる非ヒト霊長類介入型脳コンピューターインターフェース実験が北京で成功裏に実施された。この実験により、サルの脳内に介入型脳コンピューターインターフェースと脳制御ロボットアームが実現した。介入型 EEG センサーは頸静脈を通過して矢状洞に入り、サルの運動皮質に到達しました。手術後、非ヒト霊長類の介入脳波信号の収集と識別に成功しました。この実験により、動物がロボットアームを能動的に制御することが可能になりました。

脳コンピューターインターフェース技術は、人間とコンピューターの革新的な相互作用技術です。その作用メカニズムは、末梢神経と筋肉を迂回し、脳と外部デバイスの間に新しい通信および制御チャネルを直接確立することです。損傷または機能不全に陥った自然な中枢神経系の出力と入力を監視、置換、改善/回復する機能があります。

現在、脳コンピューターインターフェース研究のほとんどは基礎研究段階にあり、いくつかの臨床成果も得られています。 2022年、アメリカの研究者らは世界初となる両側脳コンピューターインターフェース移植の人間試験を完了した。 30年間麻痺状態にあった被験者は、脳波信号を通じて機械をうまく制御し、ケーキの配達を完了し、自力で食事をとることに成功した。私の国では、上海瑞金病院が2020年に脳コンピューターインターフェースと脳深部刺激法を通じて難治性うつ病の治療を開始しました。

非ヒト霊長類の脳で実施されたこの介入型脳コンピューターインターフェース実験の研究結果は、介入型脳コンピューターインターフェースを前向きな実験室研究から臨床応用へと進歩させることにつながりました。これは脳科学分野の研究を促進する上で大きな意義があり、我が国の脳コンピューターインターフェース技術が国際的なリーダーとなったことを示しています。将来的には、この技術は脳疾患の医療リハビリテーションの分野で幅広い市場展開が期待されます。

他の山の猿が人類進化の謎を解くのに役立つ

「人間を人間たらしめるもの」についての理解を深める

人間はどのようにして誕生したのでしょうか?社会的行動はどのように形成されるのでしょうか?賢い脳はどのように進化したのか... 人間に関する重要な謎を解くとき、科学者は人間の「近親者」である非人間霊長類に注目します。 6月2日、サイエンス、サイエンス・アドバンス、ネイチャー・エコロジー＆エボリューションなどの国際誌に、ヒト以外の霊長類の起源と進化に関する11本の論文が掲載され、人類は生命進化の謎の解明に一歩近づいた。

これら 11 件の論文は、中国の科学者が主導する霊長類ゲノム プロジェクトと密接に関連しています。霊長類ゲノムプロジェクトは中国の科学者によって開始された。現在までに、研究は多くの成果と新たな発見を達成しており、その中には、すべての霊長類の最も最近の共通祖先が約6829万年前から6495万年前に出現したという推論が含まれる。これは、6550万年前の白亜紀末の大量絶滅イベントに非常に近いため、「霊長類の進化は大量絶滅イベントの影響を受ける可能性がある」ことを意味する。霊長類の前肢の形成と類人猿の尾の消失の分子メカニズムを明らかにする。ヒト染色体8の起源を再説明する...

霊長類ゲノムプロジェクトによって達成された大きな科学的進歩により、初期の霊長類から現代人類までの進化のプロセス全体をより深く理解できるようになり、霊長類の多様性の保護や遺伝資源の開発と利用に関する政策を策定できるようになります。

量子システムにおける真にエンタングルされたビット数の記録を破る

51個の超伝導量子ビットクラスター状態の作成を達成

今年の人気SF映画『流転の地球2』では、インテリジェント量子コンピュータMOSSが観客に深い印象を残した。 7月、中国科学技術大学などの研究者らは、51個の超伝導量子ビットのクラスター状態を準備し、検証することに成功し、すべての量子システムにおける真にエンタングルされたビットの数の世界記録を破り、SFを現実のものにしました。関連の研究論文は7月12日にネイチャー誌オンライン版に掲載された。

超伝導量子コンピューティングは、実用的な量子コンピューティングを最初に実現するための最も可能性の高いソリューションの 1 つであると一般的に考えられています。量子ビットは量子コンピューティングの基本単位です。 「0」か「1」のどちらかである古典的なビットとは異なり、「0」と「1」が同時に存在する重ね合わせ状態になることができ、これを「量子コヒーレント重ね合わせ状態」と呼びます。量子重ね合わせをマルチ量子ビットシステムに拡張すると、自然に量子もつれの概念につながります。複数の量子ビットがコヒーレントな重ね合わせを達成すると、量子ビットの数が増えるにつれてそれらが表す状態空間が指数関数的に拡大し、量子コンピューティングの加速効果が得られます。

大規模なマルチ量子ビットのエンタングルメントを実現することは、長年にわたり世界中の科学者が目指してきた目標でした。中国の科学者らは、超伝導量子ビットの多体エンタングルメントの準備において一連の重要な成果を達成した。 2017年以降、10ビット、12ビット、18ビットの真のエンタングル状態の準備が完了しました。

この研究により、量子システム内の真にエンタングルされたビット数の記録が当初の 24 から 51 へと大幅に更新され、超伝導量子コンピューティング システムの優れたスケーラビリティが完全に実証されました。これは、多体量子もつれの研究、大規模量子アルゴリズムの実現、測定ベースの量子コンピューティングにとって大きな意義を持ちます。

大規模なマルチ量子ビットのエンタングルメントは、量子の世界の謎に対するより深い洞察を得るのに役立ちます。将来、量子情報の時代において、エンタングルメントはユニークなリソースとして機能し、より安全な通信、より高速なコンピューティング、より正確な測定を人類社会にもたらすでしょう...

ジュラ紀の陸生動物が福建省に「出現」

鳥の起源の時空リンクを埋める

9月6日にネイチャー誌オンライン版に掲載された論文によると、中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所などの研究者らが、約3年間の現地発掘調査を経て、福建省で新たな陸生生物群、鄭和動物群を発見したという。この生物群は、鳥の翼を持つ動物を保存しているジュラ紀の動物相として知られている最南端です。それは1億4800万年から1億5000万年前、つまりジュラ紀の最後の時代に遡ります。

現在、学術界では、鳥類を「デイノニクスを除くすべての鳥類を含む最も広いグループ」と定義しており、鳥類は現代の鳥類とその近縁種を指します。鳥類は少なくともジュラ紀後期には非鳥類獣脚類恐竜から分岐した。したがって、ジュラ紀の鳥類は、鳥類の起源と主要な形態学的および生物学的特徴の進化を研究する上で非常に重要です。

ジュラ紀の鳥類として知られているのは、アンキオルニスとその類似種だけです。種の数は少なく、地理的分布は単一であり、主に1億5900万年前に我が国の東北部の塩寮生物群に分布していました。この時期とその後の白亜紀初期に大量の鳥類が出現するまでの間には 3,000 万年のギャップがあります。

中国科学院古脊椎動物・古人類学研究所と福建省地質調査所は2021年から共同で、福建省のいくつかの中生代後期盆地で大規模な現地発掘調査を実施している。 2022年10月23日、研究チームは鄭和市のジュラ紀後期の地層でほぼ完全な恐竜の化石を発見した。 8か月間の修復と研究を経て、研究チームはこの化石がアビアリアのものであることを確認し、奇妙なフジアノサウルスと名付けた。これは福建省で発見された最初の恐竜の化石でした。

研究により、奇妙なフジアンサウルスとアンキオルニスが単系統群を形成し、鳥類の最も初期の分岐であったことが判明した。福建省の奇妙な龍の発見により、原始的な鳥類の生態学的多様性が高まり、鳥類の起源の初期における生態学的習慣の進化に関する学術界の理解が深まりました。

人間の中期腎臓が豚の体内で成長

深刻な臓器提供不足の解決策を推進

9月7日、中国科学院広州生物医学衛生研究所の研究チームは、国際学術誌「Cell Stem Cell」の表紙記事を発表し、胚補償技術を用いて豚の体内でヒトの中腎を再現することに成功した戦略を報告した。

臓器移植は多くの末期疾患に対する唯一の効果的な治療法となっているが、臓器提供の深刻な不足により、この治療法の広範な臨床応用が制限されている。異種移植動物における幹細胞ベースの臓器再生は、将来この問題を解決する理想的な方法となるでしょう。

この研究では、研究者らは新しいタイプのヒト人工多能性幹細胞と最適化された胚補償技術システムを組み合わせて、腎臓欠損ブタモデルにおけるヒト化中腎の異種生体内再生を達成した。これは、生体内でのヒト化機能臓器の異種再生の報告としては世界初となる。

研究者らは、この方法で得られるヒト化臓器は、より包括的な細胞タイプとより完全な臓器構造および機能を有するだけでなく、ドナー細胞が患者自身の体から得られるため、異種または同種臓器移植に存在する免疫拒絶などの問題を効果的に回避できると述べている。

研究チームは5年以上にわたって探究を重ね、ヒト・ブタ胚補償技術システムをあらゆる面で最適化した。最終的に理想的な胚補償技術プロセスを決定し、ヒト化中腎の異種生体内再生に成功しました。この成果は、幹細胞と胚補償技術に基づいて、大型異種動物でヒト化された機能的固形臓器を再現できることを初めて実証しました。これは、臓器欠損の大型動物モデルを用いて生体内で異種臓器再生を行うための重要な第一歩であり、ドナー臓器の深刻な不足問題を解決する上で大きな意義があります。

モジサーベイ望遠鏡が観測を開始

「初公開」アンドロメダ銀河との遭遇

夢のような青と紫の塵の雲の層が、柔らかくぼんやりとした輝きを放ちます。これはアンドロメダ銀河の「新鮮な」写真です。これは、モジ・サーベイ望遠鏡で撮影された、各 30 秒の露出写真 150 枚を合成したものです。 9月17日、中国科学技術大学紫金山天文台の大型観測望遠鏡「墨子観測望遠鏡」が青海省冷湖天文基地で正式に観測観測を開始した。その「デビュー」は、地球から約250万光年離れたアンドロメダ銀河との遭遇だった。

アンドロメダ銀河は天の川銀河に最も近く、最も大きい渦巻き銀河です。その構造特性と金属含有量は天の川銀河と類似しており、天の川銀河や類似の銀河の形成と進化を調査するための理想的な研究対象となっています。モジ・スカイ・サーベイ望遠鏡で撮影されたこの写真は、アンドロメダ銀河とその周囲の天体における明るい星から暗い星までの光の分布特性を明らかにしており、銀河内の動的プロセスや銀河間の相互作用を詳細に描写するために使用できます。

モジ・スカイサーベイ望遠鏡は、青海省海西モンゴル族・チベット族自治州マンヤ市冷湖鎮のサイシュテン山に位置しています。これは北半球で最も強力な光学時間領域調査装置であり、冷湖天文基地の望遠鏡群の中で最大の望遠鏡です。強力な天体観測能力を備えており、3夜に1回、北天球全体を観測することができます。移動する天体や光変化天体を監視でき、天文の動的現象の効率的な探索と監視に使用されます。高エネルギー時間領域天文学、太陽系天体調査、天の川銀河構造、近接場宇宙論の分野で画期的な独創的な成果を達成することが期待されています。

空を巡回し、不死者を探し続ける。決して止まらない。将来、Mozi Sky Survey Telescope は宇宙の奥深くにあるさらなる秘密を明らかにするでしょう。

高比率胚性幹細胞キメラ猿が誕生

非ヒト霊長類疾患モデルにおける新たなブレークスルー

かつて世界初の体細胞クローンサルを培養した科学研究チームが、またも新たな躍進を遂げた。

中国科学院脳科学・知能技術卓越センターが率いる共同チームは、5年間の研究を経て、世界で初めて、胚性幹細胞を高比率で持ち、生きたまま生まれたキメラ猿の創出に成功した。研究結果は11月9日に国際誌「Cell」にオンライン掲載された。

中国科学院脳科学・知能技術卓越センターの学術ディレクターである普木明院士は、この成果はサルのクローン技術と同様に生物医学研究にとって重要であり、非ヒト霊長類の疾患モデルの構築における画期的な出来事であるとコメントした。

胚性幹細胞は、生命の発達の初期段階における「種子」細胞です。これらは、試験管内で無限に複製できるだけでなく、培養条件を変えることで異なる組織の細胞に分化するように誘導することもできます。モデル動物の構築、細胞治療、臓器再生、オルガノイドモデルなどで重要な役割を果たします。

キメラはこれまでにもマウスやラットで成功裏に作成されている。しかし、典型的なヒトやサルの胚性幹細胞はキメラを形成するのが容易ではなく、霊長類の胚性幹細胞はマウスよりも複雑な培養条件を必要とします。現在、この高比率の胚性幹細胞キメラ猿の誕生により、人々は関連する問題をより明確に理解できるようになりました。

学術関係者は、この研究が基礎研究と非ヒト霊長類の遺伝子組み換えモデルの生成に新たな道を開くものとなると信じている。キメラサル技術の使用により、個体差のない病気のサルのバッチが生産されると期待されています。これは、ALS などの単一遺伝子変異によって引き起こされる疾患の場合、疾患モデルサルを使用することで、より効果的な介入や新薬の開発が可能になることを意味します。

史上最も明るい「宇宙花火」を正確に測定

ガンマ線バーストの残光に関する新たな知見をもたらす

11月、中国の研究者らは高高度宇宙線観測所「ラゾ」の観測データを基に、人類が観測した中で最も明るいガンマ線バーストであるGRB221009Aの高エネルギー放射スペクトルを正確に測定した。彼らは、高エネルギーガンマ光子の放射線強度が理論で予測されたように急速に減少せず、高いレベルに留まっていることを発見した。関連の研究論文は11月16日にScience Advancesにオンライン掲載された。

約20億年前、星は燃料を使い果たして「消滅」しようとしていましたが、その崩壊によって瞬時に爆発が起こり、巨大な火の玉が形成されました。まばゆいばかりの「炎」は、巨大な宇宙の花火のように、何百秒も続きました。四川省稲城県海子山にある「ラソ」が、この素晴らしい「宇宙花火」GRB 221009Aを目撃しました。

科学者たちは、このような明るいガンマ線バーストが地球を襲う確率は 1 万年に 1 回であると推測しています。 GRB 221009A が偶然にも「Laso」の最適観測範囲内に収まったため、人類は非常に幸運です。 2022年10月9日、ラッソはGRB 221009Aによって生成されたガンマ光子を記録しました。その最大エネルギーは10兆電子ボルトを超えています。

理論的には、高エネルギーガンマ線の光子エネルギーが高いほど、放射線の強度は速く減衰します。しかし、ラッソがGRB 221009Aの放射線エネルギースペクトルを精密に測定したところ、ガンマ線バーストの放射線は急速に減衰せず、13兆電子ボルトまで広がったことが判明した。この発見は、ガンマ線バーストの残光の従来の標準モデルに疑問を投げかけ、赤外線帯域における宇宙背景光の強度が予想よりも低いことを明らかにし、新たな物理学の探究への扉を開くものである。

宇宙背景光による高エネルギーガンマ光子の吸収が理論的な予想よりも低いという現象に関して、研究者らは2つの可能な説明を挙げている。粒子物理学の現在の標準モデルを超えた何らかの新しい物理的メカニズムがある可能性、あるいは標準モデルの外側にある新しい粒子、アクシオンがある可能性である。いずれにせよ、ラッソ氏による史上最も明るい「宇宙の花火」の観測は、宇宙における銀河の形成と進化について人々に再考を促すことになるだろう。 （記者 孫宇）