商品详情
书名：2017科学发展报告
定价：98.0
ISBN：9787030537690
作者：中国科学院
版次：1
出版时间：2017-09
内容提要：
无
目录：
目录
科学谋划和加快建设世界科技强国（代序）白春礼 i
前言中国科学院“科学发展报告”课题组 vii
第*章 科学展望 1
1.1 量子信息科学发展展望郭光灿韩永建史保森 3
1.2 生命分析化学发展展望鞠熀先 15
第二章 科学前沿 35
2.1 宇宙学研究进展与趋势黄庆国 37
2.2 量子材料中的新奇电子态——拓扑与超导研究前沿王健 43
2.3 钙钛矿太阳能电池研究进展与展望韩礼元杨旭东 54
2.4 室温液态金属可变形机器效应与现象的发现刘静 62
2.5 二氧化碳人工生物转化：从全天然到全人工朱华伟张延平李寅 69
2.6 T细胞疗法现状与展望丁晓董晨 75
2.7 纳米零价铁处理地下水和废水研究进展张伟贤 王伟 黄潇月等 84
2.8 拓扑给凝聚态物理带来新气象——2016年诺贝尔物理学奖评述施郁 93
2.9 分子机器：*小机器推动未来科技大进步——2016年诺贝尔化学奖评述强琚莉蒋伟曲大辉等 98
2.10 自我消解、对抗衰老——2016 年诺贝尔生理学或医学奖评述韩天婷胡荣贵 104
第三章 2016年中国科研代表性成果 111
3.1 已知光度*高的超亮型超新星的发现东苏勃 113
3.2 铁基高温超导材料中的拓扑电子态王征飞刘锋 116
3.3 硅衬底氮化镓基激光器孙钱冯美鑫李增成等 120
3.4 原子尺度上揭示水的核量子效应郭静吕京涛冯页新等 125
3.5 原子级厚度碲化锡薄膜铁电性的发现季帅华陈曦张清明等 129
3.6 利用二维晶体材料组装纳米通道及其物质输运研究进展王奉超吴恒安 132
3.7 人工合成酵母染色体元英进 135
3.8 合成气经费托反应直接高选择性制备烯烃钟良枢于飞孙予罕 139
3.9 杂化二维超薄结构优化电还原二氧化碳性能谢毅孙永福高山 142
3.10 气体分离研究重要进展——分子尺度调控离子杂化多孔材料实现乙炔和乙烯高效分离邢华斌崔希利 145
3.11 氧气起源的新机制田善喜 149
3.12 埃博拉病毒入侵宿主细胞机制被破解施一高福 151
3.13 天然免疫应答中细胞焦亡的关键分子机理得到成功破解丁璟珒 154
3.14 心肌细胞程序性坏死及其在缺血性心脏损伤中的作用肖瑞平 159
3.15 MLL家族甲基转移酶活性调控的分子机制黎彦璟陈勇 162
3.16 异种杂合二倍体胚胎干细胞的建立和应用李伟周琪 167
3.17 抗HIV等慢性病毒感染的新型CD8+T细胞亚类的发现叶丽林 170
3.18 水稻杂种优势研究取得突破进展韩斌 1 73
3.19 呼吸体蛋白原子分辨率三维结构杨茂君 176
3.20 肺上皮细胞TLR3在肿瘤肺转移前微环境形成中的重要功能顾炎刘艳芳曹雪涛 180
3.21 寨卡病毒垂直传播影响子代大脑发育罗振革 183
3.22 中国对全球气候变化的贡献评估李本纲陶澍朴世龙 187
3.23 始新世—渐新世古环境剧变中的避难所倪喜军 191
3.24 中国生态系统服务格局、变化及政策应用欧阳志云郑华肖燚等 194
3.2514亿年前OMZ海洋和大气氧含量张水昌王晓梅王华建等 197
3.26 在白垩纪中期缅甸琥珀中发现恐龙的带毛尾部化石邢立达 200
第四章 科技领域发展观察 205
4.1 基础前沿领域发展观察黄龙光边文越张超星等 207
4.2 人口健康与医药领域发展观察王玥许丽苏燕等 221
4.3 生物科技领域发展观察陈方陈云伟丁陈君等 234
4.4 农业科技领域发展观察董瑜 杨艳萍邢颖 243
4.5 环境科学领域发展观察曲建升廖琴曾静静等 252
4.6 地球科学领域发展观察张志强郑军卫赵纪东等 264
4.7 海洋科学领域发展观察高峰冯志纲王凡 274
4.8 空间科学领域发展观察杨帆韩淋王海名等 283
4.9 信息科技领域发展观察房俊民王立娜唐川等 289
4.10 能源科技领域发展观察陈伟郭楷模赵黛青等 301
4.11 材料制造领域发展观察万勇姜山冯瑞华等 313
第五章 中国科学发展概览 323
5.1 加速赶超引*开启基础研究发展新征程崔春宇李非周平等 325
5.22016年度国家自然科学基金项目申请和资助情况李志兰谢焕瑛 331
5.3 科学热点前沿及中国研究态势分析——基于优质期刊论文的科学前沿图谱王小梅李国鹏陈挺 337
第六章 中国科学发展建议 355
6.1 关于我国科学教育标准存在的问题及建议中国科学院学部“符合国情的中国科学教育标准问题研究”咨询课题组 357
6.2 关于发展人工智能产业的若干建议中国科学院学部“人工智能科技与产业化”学科发展战略研究课题组 365
6.3 农村煤与生物质燃料使用对环境和健康的危害及对策建议中国科学院学部“中国农村固体燃料使用的环境健康危害及对策建议”咨询课题组 371
6.4 关于塑料制品中限制使用有毒有害物质的建议中国科学院学部“塑料制品安全使用”咨询课题组 375
6.5 加强和促进我国高层次科技创新人才队伍建设的政策建议中国科学院学部“影响我国高层次科技人才培训与成长相关问题的研究”咨询项目组 380
附录 391
附录一 2016年中国与世界十大科技进展 393
附录二 香山科学会议2016年学术讨论会一览表 403
附录三 2016年中国科学院学部“科学与技术前沿论坛”一览表 406
CONTENTS
Planning Scientifically and Speeding up the Construction of World's Scientific and Technological Powerⅰ
Introductionⅱ
Chapter 1 An Outlook on Science1
1.1 Prospect of Quantum Information Science 14
1.2 Development Prospects of Life Analytical Chemistry 32
Chapter 2 Frontiers in Sciences 35
2.1 The Current State and Future of Cosmology 42
2.2 The Novel Electronic States in Quantum Materials: The Research Frontier of Topological Materials and Superconductors 53
2.3 The Research Status and Outlook of Perovskite Solar Cells 61
2.4 Discovery on Fundamental Effects and Phenomena of Transformational Liquid Metal Machines 68
2.5 CO2 Conversion by Synthetic Biological Systems:from Natural to Unnatural 74
2.6 Adoptive T cell Transfer for Cancer Therapy 83
2.7 Nanoscale Zero Valent Iron for Treatment of Groundwater and Wastewater 92
2.8 Topology Brings New Features to Condensed Matter Physics——Commentary on 2016 Nobel Prize in Physics 97
2.9 Molecular Machines: The Smallest Machine will Promote the Big Progresses on Science and Technology 103
2.10 Autophagy and Aging——A Commentary on the 2016 Nobel Prize in Physiology or Medicine 109
Chapter 3 Representative Achievements of Chinese Scientific Research in 2016111
3.1 The Discovery of the Most Luminous Superluminous Supernova 115
3.2 Topological Electronic States in Iron based High Temperature Superconductor 119
3.3 GaN Based Laser Diode Grown on Silicon 124
3.4 Atomic Scale Assessment of Nuclear Quantum Effects of Water 128
3.5 Experimental Discovery of Robust In Plane Ferroelectricity in Atomic Thick SnTe 131
3.6 Molecular Transport Through Nano Capillaries Made with Two Dimensional Crystals 134
3.7 Synthesis of Designer Yeast Chromosomes 138
3.8 Fischer Tropsch to Olefins via Syngas with High Selectivity 141
3.9 Partially Oxidized Atomic Cobalt Layers for Carbon Dioxide Electroreduction to Liquid Fuel 144
3.10 Progress in Gas Separation——Molecular Control in Hybrid Porous Materials for Efficient Separation of Acetylene from Ethylene 148
3.11 New Mechanism about “Origin of Molecular Oxygen” 150
3.12 Insight into Entry Mechanism of Ebola Virus 153
3.13 Pore Forming Activity and Structural Autoinhibition of the Gasdermin Family 158
3.14 CaMKII Is a Novel RIP3 Substrate Mediating Ischemia and Oxidative Stress Induced Myocardial Necroptosis 160
3.15 Structural Basis for Activity Regulation of MLL Family Methyltransferases 166
3.16 Generation and Application of Mouse Rat Allodiploid Embryonic Stem Cells 168
3.17 Follicular CXCR5 Expressing CD8 T+ Cells Curtail Chronic Viral Infection 172
3.18 Genomic Architecture of Heterosis for Yield Ttraits in Rice 174
3.19 Atomic Structure of Respirasome 179
3.20 Tumor Exosomal RNAs Promote Lung Pre Metastatic Niche Formation by Activating Alveolar Epithelial TLR3 to Recruit Neutrophils 182
3.21 Vertical Transmission of Zika Virus Targeting the Radial Glial Cells Affects Cortex Development of Offspring Mice 186
3.22 The Contribution of China's Emissions to Global Climate Forcing 190
3.23 Refuge During the Eocene Oligocene Paleoenvironmental Change 193
3.24 Ecosystem Service Pattern，Changes and Policy Application in China 195
3.25 The OMZ Marine and Oxygen Level 1400 Million Years Ago 199
3.26 A Feathered Dinosaur Tail with Primitive Plumage Trapped in Mid Cretaceous Amber 202
Chapter 4 Observations on Development of Science and Technology 205
4.1 Observations on Development of Basic Sciences and Frontiers 220
4.2 Development Scan of Public Health Science and Technology 233
4.3 Observations on Development of Bioscience and Biotechnology 242
4.4 Focus on Progresses in Agricultural Science and Technology 251
4.5 Development Scan of Environment Science 263
4.6 Observations on Development of Earth Science 273
4.7 Development Scan of Oceanography 282
4.8 Obervations on Development of Space Science 288
4.9 Observations on Science and Development of Information Technology 300
4.10 Observations on Science and Development of Energy Science and Technology 312
4.11 Progress in Advanced Materials and Manufacturing 322
Chapter 5 A Brief of Science Development in China 323
5.1 Accelerating Catching Up with and Leading the World and Embarking on a New Journey in Boosting Basic Research in China 330
5.2 Projects Granted by National Natural Science Fund in 2016336
5.3 China's Research Trends Analysis in Scientific Fronts——Based on Science Map of Nature Index High quality Research 354
Chapter 6 Suggestions on Science Development in China 355
6.1 Problems and Countermeasures for China's Science Education Standards 364
6.2 Suggestions on the Development of China's Artificial Intelligence Industry 370
6.3 Effect of Coal and Biomass Fuel Use in Rural China on Environment and Human Health and Corresponding Countermeasures and Suggestions 373
6.4 Suggestions on Limiting Use of Poisonous and Harmful Substance in Plastic Products 379
6.5 Policy Suggestions on the Cultivation of innovative Science and Technology Talents in China 390
Appendix 391
1.2016's Top 10 S&T Advances in China and World 393
2.Overview of Xiangshan Science Conference Academinc Meetings in 2016 403
3.List of Fora on Frontiers of Science & Technology by Academic
Divisions of CAS in 2016 406
在线试读：
第*章 科学展望
1.1 量子信息科学发展展望
郭光灿韩永建史保森
（中国科学院量子信息重点实验室；中国科学技术大学）
一、引言
量子信息学是量子力学与信息学等学科相结合而产生的新兴交叉学科。量子信息的信息载体是微观量子态，量子态本身的操控满足量子力学基本原理，因而量子信息的编码、操控、传输和解码都与传统的经典信息学存在巨大差异。在经典信息学中，信息的操作依然满足经典力学的规律。利用量子力学的特殊性质，量子信息技术可以拥有比相应经典技术更强大的能力。基于量子信息技术可以实现绝对安全的量子通信，也可以解决经典计算机难以完成的计算难题。量子信息技术代表了未来信息技术发展的战略方向，是世界各国展开激烈竞争的下一代安全通信体系的焦点，并极有可能对人类社会的经济发展产生难以估量的影响。
尽管在20世纪七八十年代，包括费曼（R.Feynman）、贝内特（C.H.Bennet）、多伊奇（D.Deutch）等就提出了有关量子信息的设想，但量子信息学作为一个重要学科方向引起学术界和各国政府高度重视是在1993年著名的Shor算法提出之后［1］。基于量子力学基本原理，采用Shor算法可以在多项式时间内实现大数因式分解（而在经典算法中迄今未能发现多项式算法，甚至有人认为这样的算法根本不存在），这直接威胁到了人们广泛使用的RSA公钥密码体系的安全性，从那之后人们开始致力于构建量子计算机和开展新型密码系统的研究。随着20多年的深入研究，量子信息科学已经发展成为一个多学科交叉，对国家安全、国防军事、产业经济等领域都具有潜在颠覆性作用的研究方向。
二、量子信息学研究进展
迄今，量子信息学的研究范畴已经被极大地扩展，目前主要包括如下几个重要研究方向［2］。
（1）量子密码与量子通信：利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码，特别是利用量子态（单光子态和纠缠态）实现量子密钥的分配。
（2）量子计算：利用多比特系统量子态的叠加性质，设计合理的量子并行算法，并通过合适的物理体系加以实现（通用量子计算）。
（3）量子模拟：在通用的量子计算机无法实现的前提下，利用现阶段已经可以很好控制的小规模的量子系统来实现一些在其他系统中难以实现的物理现象演示（专用量子计算）。
（4）量子传感：利用量子系统状态对环境的高度敏感性，对我们感兴趣的特定参数进行高灵敏度探测。
（5）量子计量：利用特定量子态（如NooN态、GHZ态、压缩态等）的强关联性质将噪声对系统的影响降低，进而实现系统的高精度度量。
近年来人们在以上研究方向均实现突破，取得了重要的成果，下面我们分别阐述以下几个重要研究方向的问题和进展。
1.实用化的量子密码系统研究
常用密码体系的安全性由数学复杂性决定（如RSA公钥密码体系就是基于大数因式分解这一数学难题构建的），这种密码体系存在被破译的可能，并非绝对安全可靠。而量子密码体系的安全性由基本物理原理保证，因而可以实现绝对安全的信息传递。量子密钥分发是量子密码体系的核心，是目前量子通信研究*成熟、也是*接近实用化的一个研究方向。近年来世界各国开展了面向实用化的示范性局域网、广域网的构建研究，取得了许多重大进展。
光子是天然的量子信息载体，特别适合于远距离的量子信息传输。因而，实现量子通信的关键问题是如何把加载信息（或用于建立密钥）的光子从一个地方高速地传输到足够远的另一个地方。由于传输信道（如光纤或大气）本身的特性，光子将不可避免地因各种原因（如散射、吸收等）丢失，且随着传输距离的增加，这种衰减呈指数增长。因而单光子的有效传输距离受到极大的限制。解决这个问题的关键就是引入量子中继［3］，这是当前量子通信和量子密码系统研究的核心问题。
为了解决单光子随距离指数衰减的问题，量子中继方案的核心思想是将建立长程量子纠缠对的难题改为先建立一系列短程量子纠缠对，然后再利用纠缠交换的方法来拓展距离，进而达到建立远距离量子纠缠对的目的。要实现量子中继的方案并不容易，首先要能够快速建立短距离的量子纠缠对，这需要迅速产生大量的纠缠对；其次，短距离量子纠缠对的建立是概率性成功的，而纠缠交换时需要两对纠缠对要同时存在，为此必须需要一个按需（ondemand）的量子存储器。而且纠缠交换的操作对量子探测器的效率也有极高的要求，量子中继的成功概率强烈地依赖于它。再者由于操作误差和环境影响，建立的短程纠缠对可能并不纯，下一步使用之前需要对其进行提纯，这需要消耗大量纠缠对。由此可见，要研制成功可实用化的量子中继对一些核心量子器件（如量子存储器、量子探测器等）的关键指标（如效率）都有极高的要求。近年来，在相关的关键技术方面都取得了长足的进展：量子存储在不同的物理系统中都取得了重要进展，如固体存储系统中的量子相干性已可以保持6 小时［4］，而冷原子系综中量子态的存储时间也已达到百毫秒量级［5］。这些重要进展为*终实现可用的量子中继，进而实现远距离的量子通信打下了坚实基础。在未来相当长的时间内，实现量子中继都将是一个具有挑战性的目标。
如果可以实现这类相对简单的量子中继方案，那么如何提高量子通信的传输速率是另一个重要的问题。这类中继方案中涉及的纠缠纯化、信息的来回传输都将极大地限制信息的传输速率。为了达到较高信息传输速率，如 1兆比特/秒（M/s）以上，这时通常的量子中继方案将不再适用，而基于量子纠错的量子中继方案将起着关键性的作用。因此，基于量子纠错的量子中继在未来也是一个研究重点。
尽管目前还没有可用的量子中继方案，但利用现阶段的量子通信技术已经可以实现城域网量子保密通信（如合肥、芜湖等地构建的政务网）。量子密钥可以通过单光子的量子态来传输（量子纠缠并非不可或缺）。在这一方案中，单光子源的品质对量子通信的传输有重要影响。到目前为止，提取效率66%、单光子性优于99%的单光子源也已实现［6］，这已经能够满足城域网范围内的量子通信要求。我国在实用化的量子密钥分配方面引*了国际水平。在局域网构建方面，中国科学技术大学潘建伟院士团队于2012年在合肥实现了由6个节点构成的城域量子网络。该网络使用光纤约1700千米，通过6个接入交换和集控站连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。由郭光灿院士领衔的中国科学院量子信息重点实验室团队在2005年就已经在商用的光纤上实现了北京与天津之间125 千米的量子密钥传输实验，并于2012年在标准电信光纤中完成了260千米量子密钥分发实验［7］（系统工作频率为2 吉赫），2014年建设了合（肥）巢（湖）芜（湖）量子广域示范网［8］。该网络通过中国移动的商用光纤连接合肥、巢湖、芜湖三个城市，其中合肥局域网由5个节点组成，巢湖1个节点，芜湖3个节点。实地光纤总长超过200千米，全网运行时间超过5000小时，是目前有公开学术报道的国际同类网络中规模*大、距离*长、测试时间*长的网络之一，也是首*广域量子密钥分配网络。发展更高传输率、更稳定的城域量子通信网络，以及更长距离广域网，仍是量子通信实用化的重要问题。现阶段，我国正在建立北京—上海的京沪量子通信总干线。这套系统目前是基于可信中继建立的：在京沪之间设置多个可信中继站点，在每个站点将量子信息转变为经典信息，再重新编码为量子信息并传输到下一个站点，从而实现远程量子态传输。基于诱骗态的量子密钥分配可以实现百千米量级的传输距离且无需单光子源或纠缠光源，但是这种密钥分配方案与量子中继不兼容，故进一步提升其传输距离的方案仍不明确。
在没有量子中继可用的前提下，实现远程量子通信的另一个可能方案是基于自由空间传输的量子通信，这也是一个非常重要的研究方向。德国慕尼黑大学的科研小组开展了飞行物体与固定基站之间的量子通信研究，于2013年首次实现了一架盘旋飞行中的飞机与地面站之间的量子密钥分发［9］。飞机的飞行速度为290千米/时，与地面站之间的距离为20千米。2012年，奥地利维也纳大学的研究团队在加那利群岛中相距147千米的两个小岛之间（特内里费岛和拉帕尔马岛）实现了量子隐形传态，两个节点之间的空间距离与地球近地轨道和地面站之间的距离相比拟［10］。近年来，我国在此领域也取得了一系列重要进展，处于世界*先水平。例如，2012年在青海湖利用地基实验模拟星地之间的通信，实现了百千米级的量子隐形传态和双向纠缠分发［11］；2016年，中国发射了量子科学实验卫星“墨子号”，为星地之间自由空间的密钥分配（量子通信）打下了基础。卫星和地面之间量子通信的原理性验证也正在进行当中。
2.可扩展的容错量子计算
实现大规模的量子计算是量子信息技术*重要的目标，同时也是巨大的技术挑战。在过去的10年中，人们在理论方面做了大量的工作，提出了很多新的理论和方法，提高了实现量子计算的可能性，特别是容错量子计算的证明极大地提高了量子计算的可行性。在理论上实现量子计算已没有原则性的障碍，人们甚至已经开始设计大规模量子计算的芯片构型。
理论上人们已经证明了阈值定理。只要我们对量子系统操作的精度超过一定的限制（比如误差低于10-5）［12］，即使存在噪声的影响和操作误差，也能通过量子编码和纠错操作得到正确的计算结果。当然，在具体的计算中，根据计算规模和编码的不同，需要的阈值也不同，对某个具体问题的操作精度没有阈值定理设定的要求那么高。一般来说，计算的时间越长、计算规模越大、编码层数越多，对阈值的要求也越高。人们总是希望通过改进编码的方式以获得更高的阈值，进而降低实验实现的难度。人们发现通过引入拓扑编码可以有效降低操作的难度，提高阈值。利用表面码（surface code）编码［13］（这是平面码，对微纳加工有好处），计算的阈值可以提高到1%的量级。如果使用拓扑保护的马约拉纳（Majorana）零模作为编码方式，容错的阈值甚至可以提高到14%［14］。寻找阈值更高、更便于实现、更高效的量子编码仍然是未来一段时间内量子计算理论中的重要问题，特别是针对特定的实验系统的编码。
满足量子操作的阈值条件是实现普适量子计算的核心前提。在过去的若干年中，基于不同物理体系的实验都取得了长足的进步，特别是在离子阱系统［15］和约瑟夫森结超导系统［16］中。在这两个系统中，单比特操作和两比特操作的精度都已经达到和超过了实现容错量子计算的阈值要求（逻辑门的保真度都超过了99.9%）［17］。实验研究的下一步目标是看到量子编码的容错性。基于离子阱系统的实验中已经看到了量子容错的迹象［18］，这是迈向普适容错量子计算的关键步骤。
定价：98.0
ISBN：9787030537690
作者：中国科学院
版次：1
出版时间：2017-09
内容提要：
无
目录：
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科学谋划和加快建设世界科技强国（代序）白春礼 i
前言中国科学院“科学发展报告”课题组 vii
第*章 科学展望 1
1.1 量子信息科学发展展望郭光灿韩永建史保森 3
1.2 生命分析化学发展展望鞠熀先 15
第二章 科学前沿 35
2.1 宇宙学研究进展与趋势黄庆国 37
2.2 量子材料中的新奇电子态——拓扑与超导研究前沿王健 43
2.3 钙钛矿太阳能电池研究进展与展望韩礼元杨旭东 54
2.4 室温液态金属可变形机器效应与现象的发现刘静 62
2.5 二氧化碳人工生物转化：从全天然到全人工朱华伟张延平李寅 69
2.6 T细胞疗法现状与展望丁晓董晨 75
2.7 纳米零价铁处理地下水和废水研究进展张伟贤 王伟 黄潇月等 84
2.8 拓扑给凝聚态物理带来新气象——2016年诺贝尔物理学奖评述施郁 93
2.9 分子机器：*小机器推动未来科技大进步——2016年诺贝尔化学奖评述强琚莉蒋伟曲大辉等 98
2.10 自我消解、对抗衰老——2016 年诺贝尔生理学或医学奖评述韩天婷胡荣贵 104
第三章 2016年中国科研代表性成果 111
3.1 已知光度*高的超亮型超新星的发现东苏勃 113
3.2 铁基高温超导材料中的拓扑电子态王征飞刘锋 116
3.3 硅衬底氮化镓基激光器孙钱冯美鑫李增成等 120
3.4 原子尺度上揭示水的核量子效应郭静吕京涛冯页新等 125
3.5 原子级厚度碲化锡薄膜铁电性的发现季帅华陈曦张清明等 129
3.6 利用二维晶体材料组装纳米通道及其物质输运研究进展王奉超吴恒安 132
3.7 人工合成酵母染色体元英进 135
3.8 合成气经费托反应直接高选择性制备烯烃钟良枢于飞孙予罕 139
3.9 杂化二维超薄结构优化电还原二氧化碳性能谢毅孙永福高山 142
3.10 气体分离研究重要进展——分子尺度调控离子杂化多孔材料实现乙炔和乙烯高效分离邢华斌崔希利 145
3.11 氧气起源的新机制田善喜 149
3.12 埃博拉病毒入侵宿主细胞机制被破解施一高福 151
3.13 天然免疫应答中细胞焦亡的关键分子机理得到成功破解丁璟珒 154
3.14 心肌细胞程序性坏死及其在缺血性心脏损伤中的作用肖瑞平 159
3.15 MLL家族甲基转移酶活性调控的分子机制黎彦璟陈勇 162
3.16 异种杂合二倍体胚胎干细胞的建立和应用李伟周琪 167
3.17 抗HIV等慢性病毒感染的新型CD8+T细胞亚类的发现叶丽林 170
3.18 水稻杂种优势研究取得突破进展韩斌 1 73
3.19 呼吸体蛋白原子分辨率三维结构杨茂君 176
3.20 肺上皮细胞TLR3在肿瘤肺转移前微环境形成中的重要功能顾炎刘艳芳曹雪涛 180
3.21 寨卡病毒垂直传播影响子代大脑发育罗振革 183
3.22 中国对全球气候变化的贡献评估李本纲陶澍朴世龙 187
3.23 始新世—渐新世古环境剧变中的避难所倪喜军 191
3.24 中国生态系统服务格局、变化及政策应用欧阳志云郑华肖燚等 194
3.2514亿年前OMZ海洋和大气氧含量张水昌王晓梅王华建等 197
3.26 在白垩纪中期缅甸琥珀中发现恐龙的带毛尾部化石邢立达 200
第四章 科技领域发展观察 205
4.1 基础前沿领域发展观察黄龙光边文越张超星等 207
4.2 人口健康与医药领域发展观察王玥许丽苏燕等 221
4.3 生物科技领域发展观察陈方陈云伟丁陈君等 234
4.4 农业科技领域发展观察董瑜 杨艳萍邢颖 243
4.5 环境科学领域发展观察曲建升廖琴曾静静等 252
4.6 地球科学领域发展观察张志强郑军卫赵纪东等 264
4.7 海洋科学领域发展观察高峰冯志纲王凡 274
4.8 空间科学领域发展观察杨帆韩淋王海名等 283
4.9 信息科技领域发展观察房俊民王立娜唐川等 289
4.10 能源科技领域发展观察陈伟郭楷模赵黛青等 301
4.11 材料制造领域发展观察万勇姜山冯瑞华等 313
第五章 中国科学发展概览 323
5.1 加速赶超引*开启基础研究发展新征程崔春宇李非周平等 325
5.22016年度国家自然科学基金项目申请和资助情况李志兰谢焕瑛 331
5.3 科学热点前沿及中国研究态势分析——基于优质期刊论文的科学前沿图谱王小梅李国鹏陈挺 337
第六章 中国科学发展建议 355
6.1 关于我国科学教育标准存在的问题及建议中国科学院学部“符合国情的中国科学教育标准问题研究”咨询课题组 357
6.2 关于发展人工智能产业的若干建议中国科学院学部“人工智能科技与产业化”学科发展战略研究课题组 365
6.3 农村煤与生物质燃料使用对环境和健康的危害及对策建议中国科学院学部“中国农村固体燃料使用的环境健康危害及对策建议”咨询课题组 371
6.4 关于塑料制品中限制使用有毒有害物质的建议中国科学院学部“塑料制品安全使用”咨询课题组 375
6.5 加强和促进我国高层次科技创新人才队伍建设的政策建议中国科学院学部“影响我国高层次科技人才培训与成长相关问题的研究”咨询项目组 380
附录 391
附录一 2016年中国与世界十大科技进展 393
附录二 香山科学会议2016年学术讨论会一览表 403
附录三 2016年中国科学院学部“科学与技术前沿论坛”一览表 406
CONTENTS
Planning Scientifically and Speeding up the Construction of World's Scientific and Technological Powerⅰ
Introductionⅱ
Chapter 1 An Outlook on Science1
1.1 Prospect of Quantum Information Science 14
1.2 Development Prospects of Life Analytical Chemistry 32
Chapter 2 Frontiers in Sciences 35
2.1 The Current State and Future of Cosmology 42
2.2 The Novel Electronic States in Quantum Materials: The Research Frontier of Topological Materials and Superconductors 53
2.3 The Research Status and Outlook of Perovskite Solar Cells 61
2.4 Discovery on Fundamental Effects and Phenomena of Transformational Liquid Metal Machines 68
2.5 CO2 Conversion by Synthetic Biological Systems:from Natural to Unnatural 74
2.6 Adoptive T cell Transfer for Cancer Therapy 83
2.7 Nanoscale Zero Valent Iron for Treatment of Groundwater and Wastewater 92
2.8 Topology Brings New Features to Condensed Matter Physics——Commentary on 2016 Nobel Prize in Physics 97
2.9 Molecular Machines: The Smallest Machine will Promote the Big Progresses on Science and Technology 103
2.10 Autophagy and Aging——A Commentary on the 2016 Nobel Prize in Physiology or Medicine 109
Chapter 3 Representative Achievements of Chinese Scientific Research in 2016111
3.1 The Discovery of the Most Luminous Superluminous Supernova 115
3.2 Topological Electronic States in Iron based High Temperature Superconductor 119
3.3 GaN Based Laser Diode Grown on Silicon 124
3.4 Atomic Scale Assessment of Nuclear Quantum Effects of Water 128
3.5 Experimental Discovery of Robust In Plane Ferroelectricity in Atomic Thick SnTe 131
3.6 Molecular Transport Through Nano Capillaries Made with Two Dimensional Crystals 134
3.7 Synthesis of Designer Yeast Chromosomes 138
3.8 Fischer Tropsch to Olefins via Syngas with High Selectivity 141
3.9 Partially Oxidized Atomic Cobalt Layers for Carbon Dioxide Electroreduction to Liquid Fuel 144
3.10 Progress in Gas Separation——Molecular Control in Hybrid Porous Materials for Efficient Separation of Acetylene from Ethylene 148
3.11 New Mechanism about “Origin of Molecular Oxygen” 150
3.12 Insight into Entry Mechanism of Ebola Virus 153
3.13 Pore Forming Activity and Structural Autoinhibition of the Gasdermin Family 158
3.14 CaMKII Is a Novel RIP3 Substrate Mediating Ischemia and Oxidative Stress Induced Myocardial Necroptosis 160
3.15 Structural Basis for Activity Regulation of MLL Family Methyltransferases 166
3.16 Generation and Application of Mouse Rat Allodiploid Embryonic Stem Cells 168
3.17 Follicular CXCR5 Expressing CD8 T+ Cells Curtail Chronic Viral Infection 172
3.18 Genomic Architecture of Heterosis for Yield Ttraits in Rice 174
3.19 Atomic Structure of Respirasome 179
3.20 Tumor Exosomal RNAs Promote Lung Pre Metastatic Niche Formation by Activating Alveolar Epithelial TLR3 to Recruit Neutrophils 182
3.21 Vertical Transmission of Zika Virus Targeting the Radial Glial Cells Affects Cortex Development of Offspring Mice 186
3.22 The Contribution of China's Emissions to Global Climate Forcing 190
3.23 Refuge During the Eocene Oligocene Paleoenvironmental Change 193
3.24 Ecosystem Service Pattern，Changes and Policy Application in China 195
3.25 The OMZ Marine and Oxygen Level 1400 Million Years Ago 199
3.26 A Feathered Dinosaur Tail with Primitive Plumage Trapped in Mid Cretaceous Amber 202
Chapter 4 Observations on Development of Science and Technology 205
4.1 Observations on Development of Basic Sciences and Frontiers 220
4.2 Development Scan of Public Health Science and Technology 233
4.3 Observations on Development of Bioscience and Biotechnology 242
4.4 Focus on Progresses in Agricultural Science and Technology 251
4.5 Development Scan of Environment Science 263
4.6 Observations on Development of Earth Science 273
4.7 Development Scan of Oceanography 282
4.8 Obervations on Development of Space Science 288
4.9 Observations on Science and Development of Information Technology 300
4.10 Observations on Science and Development of Energy Science and Technology 312
4.11 Progress in Advanced Materials and Manufacturing 322
Chapter 5 A Brief of Science Development in China 323
5.1 Accelerating Catching Up with and Leading the World and Embarking on a New Journey in Boosting Basic Research in China 330
5.2 Projects Granted by National Natural Science Fund in 2016336
5.3 China's Research Trends Analysis in Scientific Fronts——Based on Science Map of Nature Index High quality Research 354
Chapter 6 Suggestions on Science Development in China 355
6.1 Problems and Countermeasures for China's Science Education Standards 364
6.2 Suggestions on the Development of China's Artificial Intelligence Industry 370
6.3 Effect of Coal and Biomass Fuel Use in Rural China on Environment and Human Health and Corresponding Countermeasures and Suggestions 373
6.4 Suggestions on Limiting Use of Poisonous and Harmful Substance in Plastic Products 379
6.5 Policy Suggestions on the Cultivation of innovative Science and Technology Talents in China 390
Appendix 391
1.2016's Top 10 S&T Advances in China and World 393
2.Overview of Xiangshan Science Conference Academinc Meetings in 2016 403
3.List of Fora on Frontiers of Science & Technology by Academic
Divisions of CAS in 2016 406
在线试读：
第*章 科学展望
1.1 量子信息科学发展展望
郭光灿韩永建史保森
（中国科学院量子信息重点实验室；中国科学技术大学）
一、引言
量子信息学是量子力学与信息学等学科相结合而产生的新兴交叉学科。量子信息的信息载体是微观量子态，量子态本身的操控满足量子力学基本原理，因而量子信息的编码、操控、传输和解码都与传统的经典信息学存在巨大差异。在经典信息学中，信息的操作依然满足经典力学的规律。利用量子力学的特殊性质，量子信息技术可以拥有比相应经典技术更强大的能力。基于量子信息技术可以实现绝对安全的量子通信，也可以解决经典计算机难以完成的计算难题。量子信息技术代表了未来信息技术发展的战略方向，是世界各国展开激烈竞争的下一代安全通信体系的焦点，并极有可能对人类社会的经济发展产生难以估量的影响。
尽管在20世纪七八十年代，包括费曼（R.Feynman）、贝内特（C.H.Bennet）、多伊奇（D.Deutch）等就提出了有关量子信息的设想，但量子信息学作为一个重要学科方向引起学术界和各国政府高度重视是在1993年著名的Shor算法提出之后［1］。基于量子力学基本原理，采用Shor算法可以在多项式时间内实现大数因式分解（而在经典算法中迄今未能发现多项式算法，甚至有人认为这样的算法根本不存在），这直接威胁到了人们广泛使用的RSA公钥密码体系的安全性，从那之后人们开始致力于构建量子计算机和开展新型密码系统的研究。随着20多年的深入研究，量子信息科学已经发展成为一个多学科交叉，对国家安全、国防军事、产业经济等领域都具有潜在颠覆性作用的研究方向。
二、量子信息学研究进展
迄今，量子信息学的研究范畴已经被极大地扩展，目前主要包括如下几个重要研究方向［2］。
（1）量子密码与量子通信：利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码，特别是利用量子态（单光子态和纠缠态）实现量子密钥的分配。
（2）量子计算：利用多比特系统量子态的叠加性质，设计合理的量子并行算法，并通过合适的物理体系加以实现（通用量子计算）。
（3）量子模拟：在通用的量子计算机无法实现的前提下，利用现阶段已经可以很好控制的小规模的量子系统来实现一些在其他系统中难以实现的物理现象演示（专用量子计算）。
（4）量子传感：利用量子系统状态对环境的高度敏感性，对我们感兴趣的特定参数进行高灵敏度探测。
（5）量子计量：利用特定量子态（如NooN态、GHZ态、压缩态等）的强关联性质将噪声对系统的影响降低，进而实现系统的高精度度量。
近年来人们在以上研究方向均实现突破，取得了重要的成果，下面我们分别阐述以下几个重要研究方向的问题和进展。
1.实用化的量子密码系统研究
常用密码体系的安全性由数学复杂性决定（如RSA公钥密码体系就是基于大数因式分解这一数学难题构建的），这种密码体系存在被破译的可能，并非绝对安全可靠。而量子密码体系的安全性由基本物理原理保证，因而可以实现绝对安全的信息传递。量子密钥分发是量子密码体系的核心，是目前量子通信研究*成熟、也是*接近实用化的一个研究方向。近年来世界各国开展了面向实用化的示范性局域网、广域网的构建研究，取得了许多重大进展。
光子是天然的量子信息载体，特别适合于远距离的量子信息传输。因而，实现量子通信的关键问题是如何把加载信息（或用于建立密钥）的光子从一个地方高速地传输到足够远的另一个地方。由于传输信道（如光纤或大气）本身的特性，光子将不可避免地因各种原因（如散射、吸收等）丢失，且随着传输距离的增加，这种衰减呈指数增长。因而单光子的有效传输距离受到极大的限制。解决这个问题的关键就是引入量子中继［3］，这是当前量子通信和量子密码系统研究的核心问题。
为了解决单光子随距离指数衰减的问题，量子中继方案的核心思想是将建立长程量子纠缠对的难题改为先建立一系列短程量子纠缠对，然后再利用纠缠交换的方法来拓展距离，进而达到建立远距离量子纠缠对的目的。要实现量子中继的方案并不容易，首先要能够快速建立短距离的量子纠缠对，这需要迅速产生大量的纠缠对；其次，短距离量子纠缠对的建立是概率性成功的，而纠缠交换时需要两对纠缠对要同时存在，为此必须需要一个按需（ondemand）的量子存储器。而且纠缠交换的操作对量子探测器的效率也有极高的要求，量子中继的成功概率强烈地依赖于它。再者由于操作误差和环境影响，建立的短程纠缠对可能并不纯，下一步使用之前需要对其进行提纯，这需要消耗大量纠缠对。由此可见，要研制成功可实用化的量子中继对一些核心量子器件（如量子存储器、量子探测器等）的关键指标（如效率）都有极高的要求。近年来，在相关的关键技术方面都取得了长足的进展：量子存储在不同的物理系统中都取得了重要进展，如固体存储系统中的量子相干性已可以保持6 小时［4］，而冷原子系综中量子态的存储时间也已达到百毫秒量级［5］。这些重要进展为*终实现可用的量子中继，进而实现远距离的量子通信打下了坚实基础。在未来相当长的时间内，实现量子中继都将是一个具有挑战性的目标。
如果可以实现这类相对简单的量子中继方案，那么如何提高量子通信的传输速率是另一个重要的问题。这类中继方案中涉及的纠缠纯化、信息的来回传输都将极大地限制信息的传输速率。为了达到较高信息传输速率，如 1兆比特/秒（M/s）以上，这时通常的量子中继方案将不再适用，而基于量子纠错的量子中继方案将起着关键性的作用。因此，基于量子纠错的量子中继在未来也是一个研究重点。
尽管目前还没有可用的量子中继方案，但利用现阶段的量子通信技术已经可以实现城域网量子保密通信（如合肥、芜湖等地构建的政务网）。量子密钥可以通过单光子的量子态来传输（量子纠缠并非不可或缺）。在这一方案中，单光子源的品质对量子通信的传输有重要影响。到目前为止，提取效率66%、单光子性优于99%的单光子源也已实现［6］，这已经能够满足城域网范围内的量子通信要求。我国在实用化的量子密钥分配方面引*了国际水平。在局域网构建方面，中国科学技术大学潘建伟院士团队于2012年在合肥实现了由6个节点构成的城域量子网络。该网络使用光纤约1700千米，通过6个接入交换和集控站连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。由郭光灿院士领衔的中国科学院量子信息重点实验室团队在2005年就已经在商用的光纤上实现了北京与天津之间125 千米的量子密钥传输实验，并于2012年在标准电信光纤中完成了260千米量子密钥分发实验［7］（系统工作频率为2 吉赫），2014年建设了合（肥）巢（湖）芜（湖）量子广域示范网［8］。该网络通过中国移动的商用光纤连接合肥、巢湖、芜湖三个城市，其中合肥局域网由5个节点组成，巢湖1个节点，芜湖3个节点。实地光纤总长超过200千米，全网运行时间超过5000小时，是目前有公开学术报道的国际同类网络中规模*大、距离*长、测试时间*长的网络之一，也是首*广域量子密钥分配网络。发展更高传输率、更稳定的城域量子通信网络，以及更长距离广域网，仍是量子通信实用化的重要问题。现阶段，我国正在建立北京—上海的京沪量子通信总干线。这套系统目前是基于可信中继建立的：在京沪之间设置多个可信中继站点，在每个站点将量子信息转变为经典信息，再重新编码为量子信息并传输到下一个站点，从而实现远程量子态传输。基于诱骗态的量子密钥分配可以实现百千米量级的传输距离且无需单光子源或纠缠光源，但是这种密钥分配方案与量子中继不兼容，故进一步提升其传输距离的方案仍不明确。
在没有量子中继可用的前提下，实现远程量子通信的另一个可能方案是基于自由空间传输的量子通信，这也是一个非常重要的研究方向。德国慕尼黑大学的科研小组开展了飞行物体与固定基站之间的量子通信研究，于2013年首次实现了一架盘旋飞行中的飞机与地面站之间的量子密钥分发［9］。飞机的飞行速度为290千米/时，与地面站之间的距离为20千米。2012年，奥地利维也纳大学的研究团队在加那利群岛中相距147千米的两个小岛之间（特内里费岛和拉帕尔马岛）实现了量子隐形传态，两个节点之间的空间距离与地球近地轨道和地面站之间的距离相比拟［10］。近年来，我国在此领域也取得了一系列重要进展，处于世界*先水平。例如，2012年在青海湖利用地基实验模拟星地之间的通信，实现了百千米级的量子隐形传态和双向纠缠分发［11］；2016年，中国发射了量子科学实验卫星“墨子号”，为星地之间自由空间的密钥分配（量子通信）打下了基础。卫星和地面之间量子通信的原理性验证也正在进行当中。
2.可扩展的容错量子计算
实现大规模的量子计算是量子信息技术*重要的目标，同时也是巨大的技术挑战。在过去的10年中，人们在理论方面做了大量的工作，提出了很多新的理论和方法，提高了实现量子计算的可能性，特别是容错量子计算的证明极大地提高了量子计算的可行性。在理论上实现量子计算已没有原则性的障碍，人们甚至已经开始设计大规模量子计算的芯片构型。
理论上人们已经证明了阈值定理。只要我们对量子系统操作的精度超过一定的限制（比如误差低于10-5）［12］，即使存在噪声的影响和操作误差，也能通过量子编码和纠错操作得到正确的计算结果。当然，在具体的计算中，根据计算规模和编码的不同，需要的阈值也不同，对某个具体问题的操作精度没有阈值定理设定的要求那么高。一般来说，计算的时间越长、计算规模越大、编码层数越多，对阈值的要求也越高。人们总是希望通过改进编码的方式以获得更高的阈值，进而降低实验实现的难度。人们发现通过引入拓扑编码可以有效降低操作的难度，提高阈值。利用表面码（surface code）编码［13］（这是平面码，对微纳加工有好处），计算的阈值可以提高到1%的量级。如果使用拓扑保护的马约拉纳（Majorana）零模作为编码方式，容错的阈值甚至可以提高到14%［14］。寻找阈值更高、更便于实现、更高效的量子编码仍然是未来一段时间内量子计算理论中的重要问题，特别是针对特定的实验系统的编码。
满足量子操作的阈值条件是实现普适量子计算的核心前提。在过去的若干年中，基于不同物理体系的实验都取得了长足的进步，特别是在离子阱系统［15］和约瑟夫森结超导系统［16］中。在这两个系统中，单比特操作和两比特操作的精度都已经达到和超过了实现容错量子计算的阈值要求（逻辑门的保真度都超过了99.9%）［17］。实验研究的下一步目标是看到量子编码的容错性。基于离子阱系统的实验中已经看到了量子容错的迹象［18］，这是迈向普适容错量子计算的关键步骤。