年末総括：2021年の中国の科学技術における大きな進歩

2021年も終わりに近づいてきました。昨年はテクノロジー業界にとって新たな高みと大きな収穫があった年でした。今年は中国共産党創立100周年にあたり、我が国の科学技術界は数々の重要な進歩を遂げました。量子コンピューティングは大きな進歩を遂げており、我が国は2つの物理システムで量子コンピューティングの優位性を達成した唯一の国となっています。 「中国天眼」が正式に世界に公開され、偉大な国の風格が示された。二酸化炭素からの人工デンプン合成の成功は、人類の未来に新たな可能性をもたらしました...

今年は科学技術分野の労働者がたゆまぬ努力を重ねた年でした。彼らは科学的真実の追求において不屈であり、人類が到達できる高みを絶えず更新してきました。科学技術界は、時代の好機に乗って再び出航し、より豊かな未来に向かって前進していくことでしょう。

1

米の「祖先」遺伝子の回復

より良い米の品種の栽培に役立ちます

異質四倍体の野生イネを一から急速に栽培化し、倍数性の利点を十分に発揮させ、現在の栽培イネで失われた優れた遺伝子の一部を回復し、収穫量が多く環境適応力が強い新しいイネを栽培するという、中国科学院種子イノベーション研究所と遺伝学・発生生物学研究所の李家陽教授のチームと協力者による画期的な進歩が、2月4日、国際的に有名な学術誌「Cell」に掲載された。

倍数性は植物の進化における重要なメカニズムです。現在栽培されている米は、数千年にわたる人工栽培化を経て、その農業特性は継続的に改良されてきましたが、同時に多くの遺伝的多様性も失われ、優れた遺伝子資源が不足しています。異質四倍体は二倍体よりも染色体セットが 2 セット多くあります。異質四倍体野生イネは、バイオマスが大きく、自己交雑し、環境適応性が強いなどの利点があります。しかし、非栽培化の特性により、農業生産に直接使用することは不可能です。

李家陽氏のチームは、全体的な性能が優れている四倍体の野生イネから出発し、現代のゲノム編集技術を使用して、一部の遺伝子の喪失を回避しながら、数千年から数万年にわたるイネの栽培化の歴史を短期間で「再現」した。彼らは初めて、異質四倍体野生イネをゼロから迅速に栽培化するための枠組みを設計し、完成させ、高収量で環境適応力の強い新しいイネ作物を栽培することを目指しました。研究チームは、ゲノム解析、効率的な遺伝子組み換え、効率的なゲノム編集などの技術的ボトルネックを突破し、異質四倍体背の高い野生稲のゲノムにおける一連の栽培化遺伝子と重要な農業形質遺伝子を注釈付け、脱穀が少なく、芒長が短く、草丈が低く、穀長が長く、茎が太く、出穂期間がさまざまな程度に短縮された、さまざまなゲノム編集異質四倍体野生稲素材の作成に成功しました。

2

『九章』と『朱崇志』の新装版

2つの物理システムで量子超越性を達成する

実用的な価値のある量子コンピュータの開発は、量子コンピューティングの分野において常に最も重要な開発目標の一つであり、今日では各国間の競争の焦点でもあります。過去1年間、我が国は量子コンピュータの研究開発において数々の大きな進歩を遂げてきました。

2月27日、国際的に権威のある科学誌「サイエンス・アドバンス」にその結果が掲載された。国立国防科学技術大学、軍事科学院、中山大学などの研究者らが開発した新型のプログラム可能なシリコンベースの光量子コンピューティングチップは、さまざまなグラフ理論の問題に対する量子アルゴリズムソリューションを実現しており、将来的にはビッグデータ処理などの分野への応用が期待されている。

5月7日、サイエンス誌は中国科学技術大学の潘建偉氏のチームの研究結果を掲載した。彼らは、62個の超伝導量子ビットを操作し、これに基づいてプログラム可能な2次元量子ウォークを実現した量子コンピューティングプロトタイプ「Zu Chongzhi」の開発に成功しました。この成果は、超伝導量子システムにおける量子超越性の実現と、その後の実用的価値の高い量子コンピューティングの研究のための技術的基礎を築きました。

10月末、潘建偉氏のチームはさらに66ビットのプログラム可能な超伝導量子コンピューティングのプロトタイプ「祖崇志2.0」を開発し、ランダム回路サンプリングタスクにおいて量子コンピューティングの優位性を達成した。完成した課題の難易度は、2019年のGoogleの「Platanus」よりも2～3桁高かった。

同時に、潘建偉チームによるアップグレード版「九章2.0」も量子優位性を大幅に向上させた。ガウスボソンサンプリング問題の場合、「Jiuzhang」が 1 年前に 1 分で完了できたタスクは、世界最強のスーパーコンピュータでも数億年かかります。そして、「九章2.0」が1分で完了できるタスクは、スーパーコンピューターではその数百億倍の時間がかかります。さらに、「Jiuzhang 2.0」には部分的なプログラム機能も備わっています。

「九章2.0」と「祖崇志2.0」の出現により、わが国は2つの物理システムで量子コンピューティングの優位性を達成した唯一の国となりました。

3

「中国の天空の目」が世界中の科学者を歓迎

観察申込書は3月末から受け付けます

「中国天眼」として知られる国家の主要科学技術インフラである500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）は、オープンスカイの原則に沿って、2021年3月31日北京時間0時から世界中の天文学者を招待し、観測申請を募集しました。すべての外国からの申請プロジェクトは一律に審査されます。観測期間は今年の8月から始まる。

「中国天眼」は3月31日から世界中の天文学者から観測申請の募集を開始する。写真は新華社通信記者の欧東曲氏による撮影。

中国天眼は貴州省黔南州平塘県大臥堂にあります。 2016年に完成。独立した知的財産権を持ち、単一口径としては世界最大、最高感度を誇る電波望遠鏡です。光学望遠鏡と同様に、電波望遠鏡の口径が大きいほど、受信する電磁波が多くなり、感度が高くなり、検出能力が強くなります。これにより、中国のスカイアイは宇宙の微弱な電波信号を監視できるようになります。

中国のスカイアイ施設は国家の承認を得て運用を開始して以来、安定して確実に稼働しています。発見されたパルサーの数は500個以上に達し、高速電波バーストなどの研究分野で大きな進歩が遂げられています。中国のスカイアイの開発と建設は、わが国の自主的なイノベーション能力を反映しているだけでなく、アンテナ製造技術、マイクロ波電子技術、並列ロボット、大規模構造工学、数キロメートルにわたる高精度の動力測定など、多くのハイテク分野の発展を促進します。

中国科学院院士でFAST科学委員会委員長の呉祥平氏は、FASTは世界的に利用されており、全面協力の概念と人類の未来を共有するコミュニティの概念の実践を示していると述べた。

4

液体ヘリウムを使ってマイナス271℃の世界を創造

「中国製」の大型極低温冷凍装置

4月15日、中国科学院物理化学技術研究所（以下、中国科学院物理化学研究所）が担当する国家重点科学研究設備開発プロジェクト「液体ヘリウムから超流動ヘリウム温度域までの大型極低温冷凍システムの開発」が検収および成果審査に合格した。プロジェクト成果評価専門家グループは、プロジェクトの全体的な技術が国際的に先進的なレベルに達したと考えています。これは、我が国が液体ヘリウム温度（-269℃）でキロワットレベルで動作し、超流動ヘリウム温度（-271℃）で百ワットレベルで動作する大規模な極低温冷凍装置を開発する能力を持っていることを示しています。

液体ヘリウム温度帯における国産大型低温冷凍システム。画像提供：中国科学院物理化学研究所

液体ヘリウムは超低温を作り出す「魔法の武器」です。社会経済の急速な発展に伴い、わが国は大型低温冷凍設備の主要ユーザーとなりました。しかし、大型低温冷凍システム、主要なサブ設備、統合技術の不足により、我が国の大型低温冷凍設備は長い間外国によって独占されており、輸入への依存度が高くなっています。

2015年12月、中国科学院物理化学研究所は、液体ヘリウムから超流動ヘリウムまでの温度域における大型低温冷凍装置の研究開発を開始しました。数十年にわたる極低温技術の蓄積を基に、5年間の努力と独自の革新への粘り強さを経て、ついに高度な技術指標を備えた大型ヘリウム冷凍機の開発に成功しました。

5

光学保存時間は最大1時間

量子USBドライブへの重要な一歩

4月には、中国科学技術大学の郭光燦チームの李伝鋒と周宗群の研究グループが光ストレージ時間を1時間に延長し、2013年にドイツのチームが樹立した1分間の光ストレージの世界記録を大幅に破り、量子USBフラッシュドライブの実現に向けて重要な一歩を踏み出した。この研究結果は4月下旬に権威ある学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載された。

データ画像。画像ソース: pixabay

光は現代の情報伝達の基本的な媒体となっています。光の速度は秒速30万キロメートルにもなります。光の速度を「遅くする」こと、あるいは光を「止める」ことは、国際的な学術界が目指してきた目標である。光の保存は量子通信の分野で特に重要です。超長寿命量子メモリ、すなわち量子USBフラッシュドライブに光子を保存することで、量子USBフラッシュドライブを直接輸送することで量子情報を伝送することが可能になります。飛行機や高速列車などの輸送速度を考慮すると、量子 USB フラッシュ ドライブの光学的保存時間は少なくとも数時間単位である必要があります。

2015年、李伝鋒と周宗群の研究グループは独自の光ラマンヘテロダイン検出核磁気共鳴分光計を開発しました。この装置を利用して、研究者らはユーロピウム添加イットリウムケイ酸塩結晶における光学遷移の完全なハミルトニアンを正確に特徴付け、一次ゼーマン効果がゼロとなる磁場下のエネルギー準位構造（ZEFOZ）を理論的に予測しました。

将来的には、より成熟した量子 USB フラッシュ ドライブに依存して、人類は古典的な転送ツールに基づく量子情報伝送を実現し、それによって新しい量子チャネルを確立することが期待されます。

6

人工太陽が世界記録を破る

1億2千万度で101秒間の繰り返し燃焼を実現

5月28日、中国科学院合肥物理科学研究所から朗報が届いた。 「人工太陽」とも呼ばれる完全超伝導トカマク型核融合実験装置（EAST）は、新たなブレークスルーを達成し、1億2千万度で101秒間、1億6千万度で20秒間のプラズマ繰り返し運転に成功し、トカマク型実験装置の運転における世界新記録を樹立し、核融合エネルギーの応用に向けて重要な一歩を踏み出しました。

「人工太陽」は、1億2000万度で101秒間、1億6000万度で20秒間の繰り返しプラズマ動作を達成した。写真提供：新華社通信記者 周牧

地球上のすべてのものが成長するために依存している光と熱は、太陽の核融合反応によって放出されるエネルギーから生じます。この核融合反応を支える燃料である重水素は、地球上に極めて豊富に埋蔵されており、人類が数百億年にわたって使用できるほどです。重水素を使って「人工太陽」を作り、電気を生み出すことができれば、人類は完全なエネルギー自由を実現できるという希望を持つことになるだろう。

しかし、「人工太陽」の創造は、核融合を運ぶためにどのような容器を使用するかという、顕著な実際的な問題に直面しています。人工的に制御された条件下では、プラズマのイオン温度は1億度以上に達する必要があります。地球上で最も耐熱性の高い金属素材であるタングステンの融点は3,000℃を超えます。これは、大電流、強磁場、超高温、超低温、高真空、高絶縁などの複雑な環境に同時に耐えることができるデバイスを構築することが必要であり、プロセス設計と材料に対する要求が極めて高いことを意味します。

核融合実験装置に求められる条件を満たすために、EASTチームの科学者は、独自の知的財産権を持つ主要技術のほとんどを独自に革新、設計、開発し、EAST装置ホストの全体的なエンジニアリング設計を創造的に完成させました。世界初の新世代完全超伝導トカマク型核融合実験装置が中国で初めて建造され、正式に運用を開始し、将来のクリーンエネルギーの利用と開発に向けた実験研究プラットフォームを提供した。

7

地球シミュレータが起動

地球の過去、現在、未来をはっきりと見る

6月23日、国家の主要科学技術インフラである地球システム数値シミュレーション施設が北京懐柔科学城で完成し、使用を開始した。これは我が国で独自の知的財産権を有して開発に成功した、地球システムをシミュレートする初の大規模科学装置です。

地球システムシミュレータ (地球シミュレーション研究所とも呼ばれる) は、地球システムの数値シミュレーションを実行します。つまり、地球システムの観測データを基に、地球システムの物理的、化学的、生命的プロセスとその進化を記述する法則を用いて、スーパーコンピュータ上で大規模な科学計算を実行します。これにより、科学者は地球の過去を再現し、現在をシミュレートし、未来を予測できるようになります。

新たに完成し、運用を開始した地球シミュレーション実験室の総合的な性能は、国際的に先進的なレベルに匹敵します。これは我が国初の自主知的財産権を有する地球システム専用数値シミュレーション装置であり、地球システム各領域の数値シミュレーションソフトウェアを中核とし、ソフトウェアとハ​​ードウェアの共同設計を採用しており、その規模と総合的な技術レベルは世界でもトップクラスである。地球表面のすべての層をシミュレートする機能があり、地球システムのさまざまなプロセスをより包括的に考慮することができます。特に、気候変動への対応とカーボンニュートラルという最も緊急を要する分野において、このシステムは地球規模の生態学的および生物地球化学的プロセスとそれらの気候システムとの相互作用に十分な注意を払い、これに基づいて「生態-気温-二酸化炭素濃度-炭素排出量」の明確な関係を確立し、温室効果ガス計算と将来の温暖化予測に対する強力なシミュレーションサポートを提供し、カーボンピークとカーボンニュートラルのビジョンと目標の達成に貢献します。これはまた、我が国の気候と環境の分野における将来の交渉の基礎となり、我が国の国際的な発言力を高めるものとなるでしょう。

8

「アイスファイバー」の登場

柔軟な曲げと効率的な光誘導

7月9日、権威ある学術誌「サイエンス」は、浙江大学光電子科学工学部の童立民教授のチームが、浙江大学学際力学センターとカリフォルニア大学バークレー校の研究者と共同で、マイナス50℃の環境で高品質の氷単結晶マイクロナノ光ファイバーを作成したことを示す研究結果を掲載した。柔軟性があり、ガラス光ファイバーと同等の性能を持ち、低損失で光を伝送できます。

光を閉じ込めて自由に伝送する機能構造として、光ファイバーは現在、光場操作のための最も効果的なツールの 1 つです。従来のガラス光ファイバーの主成分である酸化ケイ素（石英砂）は、地殻中に最も多く存在する物質の一つです。しかし実際には、地球や多くの地球外天体では、石英砂よりも最も一般的な物質は氷または液体の水です。したがって、氷を使用して光ファイバーを製造することは、幅広い応用の見込みがあります。

この研究では、童立明氏のチームは独自の成長装置を構築し、多数の実験に基づいて既存の電場誘起氷結晶製造方法を改良しました。低温高電圧の電界と一定の湿度条件のもとで、静電気を利用して水分子を電界の方向に移動させ、その無秩序な運動状態を変化させ、単結晶の成長を誘発しました。最終的に、-50℃の環境下で、直径800ナノメートルから10ミクロンの氷単結晶マイクロナノ光ファイバーの製造に成功しました。さらに、研究チームは新たに発明した低温マイクロナノ操作・転送技術も活用し、氷マイクロナノ光ファイバーが-150℃の環境で10.9%の弾性歪みを得ることを可能にした。これは氷の理論上の弾性限界に近い。

トン・リミン氏は、この研究結果が人々の氷に対する理解を広げ、光伝送、光センシング、氷物理学における氷ベースの光ファイバーの研究を促進し、特殊な環境に適したマイクロナノスケールの氷ベースの技術を開発するきっかけになると考えています。

9

デンプンを合成するための光合成を「排除」する

生産効率を向上させながら資源を節約

9月23日、中国科学院は大きな成果を発表した。天津工業バイオテクノロジー研究所の研究者らは、デンプンを調製するための破壊的な方法を提案した。この方法は、植物の光合成に頼るのではなく、電気分解によって生成される二酸化炭素と水素を原料として利用し、デンプンの生成に成功しました。二酸化炭素からデンプンを新規に合成することに成功したのは世界初であり、デンプン生産を従来の農業栽培モデルから工業的な工場生産モデルに移行することが可能になります。当該研究結果は9月24日、サイエンス誌オンライン版に掲載された。

中国の科学者らは、実験室で二酸化炭素からデンプン分子の完全合成に初めて成功した。写真提供：新華社記者ジン・リーワン

デンプンは主に緑色植物が二酸化炭素を固定するために光合成によって合成します。トウモロコシなどの作物では、二酸化炭素をデンプンに変換するには60以上の代謝反応と複雑な生理学的調節が関与しており、太陽エネルギーの理論的な利用効率は2％を超えません。作物の栽培には数か月のサイクルが必要であり、大量の土地、淡水、肥料などの資源が使用されます。

中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所の研究者らは、生産効率を向上させるために、11の主要な反応を伴う非自然な二酸化炭素固定と人工デンプン合成の新しい経路をゼロから設計し、実験室で二酸化炭素からデンプン分子までの完全な合成を初めて達成した。この人工経路のデンプン合成速度はトウモロコシデンプ​​ンの8.5倍です。そして、十分なエネルギー供給の条件下では、現在の技術的パラメータによれば、理論的には、1立方メートルのバイオリアクターの年間デンプン生産量は、我が国の5ムーの土地に植えられたトウモロコシの平均年間生産量に相当します。

10

ケーラー幾何学コア予想の証明

60年にわたる数学の謎を解く

11月初旬、中国科学技術大学幾何物理学センター創設所長の陳秀雄教授と協力者の程静瑞氏は、偏微分方程式と複素幾何学の分野で画期的な成果を達成した。彼らは、4次の完全非線形楕円方程式を解き、国際数学コミュニティで60年以上も懸案となっていた2つの核心的な予想である強制予想と測地線安定性予想を首尾よく証明し、ケーラー多様体上の定スカラー曲率計量とカラビ極値計量に関連するいくつかの有名な問題を解決しました。 2つの論文は、国際的に有名な雑誌「アメリカ数学会誌」に掲載されました。

幾何物理学センターの初代所長である陳秀雄教授（中央）と程静瑞氏（左）。 Anhui.net の Tao Dongqing 氏による写真

ケーラー多様体上の定数スカラー曲率計量の存在は、過去 60 年間、幾何学における中心的な問題の 1 つでした。その存在については、安定性予想、強制予想、測地線安定性予想という 3 つの有名な予想があります。多くの有名な数学者による約 20 年間の研究の結果、強制安定性予想と測地線安定性予想の必要性は完全に明らかになりましたが、それらの十分性の証明はこれまで不可能であると考えられていました。

4 次完全非線形楕円方程式のクラスの解を見つけることで、一定のスカラー曲率計量の存在を証明できます。 Chen Xiuxiong と Cheng Jingrui の研究により、K エネルギー強制または測地線安定性の仮定の下で、このタイプの方程式の解の存在が証明されました。彼らは方程式の解を発見しただけでなく、そのような方程式を研究するための体系的な方法を確立し、数学の未知の世界を探求するための新しいツールを提供しました。さらに、彼らは環対称ケーラー多様体上の安定性予想の証明を与え、環対称ケーラー面上のドナルドソンの古典的な定理を高次元に拡張し、一般安定性予想の証明に対する可能な解決策を提案し、一般安定性予想を完全に解決することを可能にした。

出典：科技日報

◎科技日報インターン記者 杜鵬

編集者：張其其

レビュー: ジュリー

最終レビュー：劉海英