嫦娥五號(hào)去月球“挖土”這一年科學(xué)高度不斷刷新

●存算一體架構(gòu)在手寫數(shù)字集上的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到96.19%

●截至12月14日21時(shí)，“天問一號(hào)”探測器已在軌飛行144天，飛行里程約3.6億公里，距離地球超過1億公里

●嫦娥五號(hào)經(jīng)歷了11個(gè)階段、23天的在軌工作，采集了約1731克月球樣品返回地球

●“奮斗者”號(hào)創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀(jì)錄

●計(jì)算“高斯玻色取樣”問題，處理100億個(gè)樣本，“九章”只需10小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要1200億年

●中國和尼泊爾聯(lián)合公布珠峰“新身高”——8848.86米

即將過去的2020年，是極不平凡的一年。在這一年里，突如其來的新冠肺炎疫情打亂了人們生活與工作的節(jié)奏，而科學(xué)界奮斗的腳步卻不曾停歇，并在奮力拼搏的過程中越戰(zhàn)越勇。

“天問一號(hào)”開啟人類探測火星的新旅程，嫦娥五號(hào)帶回來自月球的饋贈(zèng)，“奮斗者”號(hào)創(chuàng)造中國載人深潛新紀(jì)錄……這一年，科學(xué)家們在上下求索的過程中點(diǎn)亮更廣闊的世界，在追逐真理的道路上打開更嶄新的天地。滄海橫流顯砥柱，隨著科學(xué)的高度不斷被刷新，一個(gè)更精彩的未來正展現(xiàn)在我們眼前。

“天琴一號(hào)”通過技術(shù)在軌驗(yàn)證

每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于任務(wù)目標(biāo)

“天琴一號(hào)”衛(wèi)星是我國“天琴”引力波探測計(jì)劃的首顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，其核心任務(wù)是驗(yàn)證空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)，這是空間引力波探測技術(shù)體系中的核心技術(shù)之一，包括高精度慣性傳感、微牛級(jí)連續(xù)可調(diào)微推進(jìn)和無拖曳控制三大關(guān)鍵技術(shù)，以及高精度激光干涉測量技術(shù)、高穩(wěn)定度溫度控制技術(shù)和高精度質(zhì)心控制技術(shù)。

1月18日，中國航天科技集團(tuán)五院502所傳來好消息，根據(jù)最新試驗(yàn)結(jié)果分析，“天琴一號(hào)”衛(wèi)星已成功完成無拖曳控制飛行驗(yàn)證。

據(jù)介紹，無拖曳控制是指抵消除引力外所有干擾衛(wèi)星的力，包括太陽光壓力、大氣阻力等，確保衛(wèi)星處于“超靜超穩(wěn)”狀態(tài)。無拖曳控制分為加速度模式與相對位移模式兩類。由于要時(shí)刻保證衛(wèi)星不受到除引力之外的力的干擾，無拖曳控制從模型建立、算法設(shè)計(jì)到衛(wèi)星平臺(tái)控制都面臨較大挑戰(zhàn)。

從飛行數(shù)據(jù)看，在加速度模式下，實(shí)施無拖曳控制后，“天琴一號(hào)”衛(wèi)星外部干擾力對加速度的影響降到了重力加速度的四億分之一以下，優(yōu)于歐空局“GOCE”（重力場與穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流探測）衛(wèi)星的三億分之一，比打哈欠給人帶來的加速度還要小得多。“天琴一號(hào)”衛(wèi)星無拖曳控制技術(shù)在軌成功驗(yàn)證，表明我國向空間引力波探測邁出了堅(jiān)實(shí)一步，但距離真正的引力波探測應(yīng)用還有一定距離。

5月21日，我國空間引力波探測“天琴計(jì)劃”首席科學(xué)家羅俊表示，經(jīng)過多方評(píng)估，“天琴一號(hào)”衛(wèi)星六大技術(shù)在軌驗(yàn)證全部通過，每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于任務(wù)目標(biāo)。

多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)問世

打破算力瓶頸，滿足復(fù)雜任務(wù)的高需求

2月，清華大學(xué)微電子所、北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心教授錢鶴、吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與合作者宣布，成功研發(fā)出全球首款多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)，其在處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的能效比圖形處理器芯片高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在一定程度上突破了傳統(tǒng)計(jì)算框架的限制，大幅提升計(jì)算設(shè)備的算力，且比傳統(tǒng)芯片的功耗降低100倍。相關(guān)成果發(fā)表于《自然》雜志上。

如何用計(jì)算存儲(chǔ)一體化突破AI算力瓶頸，是近年來國內(nèi)外的科研熱點(diǎn)。尋找合適的硬件，是提升算力的基礎(chǔ)之一。該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu)，成功制備出高性能憶阻器陣列。為解決器件非理想特性造成的系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率下降問題，他們提出一種新型的混合訓(xùn)練算法，僅需用較少的圖像樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過微調(diào)最后一層網(wǎng)絡(luò)的部分權(quán)重，就可使存算一體架構(gòu)在手寫數(shù)字集上的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到96.19%。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還提出空間并行的機(jī)制，將相同卷積核編程到多組憶阻器陣列中，各組憶阻器陣列可并行處理不同的卷積輸入塊，提高并行度來加速卷積計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)搭建了全硬件構(gòu)成的完整存算一體系統(tǒng)，在系統(tǒng)里集成了多個(gè)憶阻器陣列，并在該系統(tǒng)上高效運(yùn)行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，成功驗(yàn)證了圖像識(shí)別功能，證明了存算一體架構(gòu)全硬件實(shí)現(xiàn)的可行性。

“基于憶阻器的新型存算一體架構(gòu)，可以打破算力瓶頸，滿足人工智能等復(fù)雜任務(wù)對計(jì)算硬件的高需求。”團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心教授吳華強(qiáng)說。

世界首個(gè)人類細(xì)胞圖譜繪制成功

實(shí)現(xiàn)人體細(xì)胞數(shù)字化

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院郭國驥教授團(tuán)隊(duì)用自主研發(fā)的分析平臺(tái)，繪制出人類首個(gè)細(xì)胞圖譜。3月26日，國際頂級(jí)期刊《自然》在線刊登了這項(xiàng)研究成果。

細(xì)胞是生命的基本單位。在過去，科學(xué)家主要利用顯微鏡和流式分析等技術(shù)，依靠若干表型特征對自然界里不同物種的細(xì)胞進(jìn)行分類和鑒定。單細(xì)胞測序技術(shù)的出現(xiàn)給這一傳統(tǒng)的細(xì)胞認(rèn)知體系帶來了革命性的變化。

研究團(tuán)隊(duì)對60種人體組織樣品和7種細(xì)胞培養(yǎng)樣品進(jìn)行了高通量單細(xì)胞測序分析，系統(tǒng)性地繪制了跨越胚胎和成年兩個(gè)時(shí)期、涵蓋八大系統(tǒng)的人類細(xì)胞圖譜，建立了70多萬個(gè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，鑒定了人體100余種細(xì)胞大類和800余種細(xì)胞亞類，開發(fā)了單細(xì)胞比對系統(tǒng)，并搭建了人類細(xì)胞藍(lán)圖網(wǎng)站。

郭國驥介紹，這項(xiàng)工作概括地說就是人體細(xì)胞數(shù)字化。用數(shù)字矩陣描述每一個(gè)細(xì)胞的特征，并對它們進(jìn)行系統(tǒng)性分類。此外，還定義了許多以前未知的細(xì)胞種類，發(fā)現(xiàn)了一些特殊的表達(dá)模式。通過人類細(xì)胞圖譜，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，多種成人的上皮、內(nèi)皮和基質(zhì)細(xì)胞也在組織中扮演著免疫細(xì)胞的角色。

此外，通過跨時(shí)期、跨組織的細(xì)胞圖譜分析，團(tuán)隊(duì)揭示了一個(gè)普適性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制：干細(xì)胞和祖細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)混雜且隨機(jī)，而分化和成熟細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)就變得分明且穩(wěn)定，也就是說，細(xì)胞分化經(jīng)歷了一個(gè)從混亂到有序的發(fā)展過程。

該研究首次從單細(xì)胞水平上全面分析了胚胎和成年時(shí)期的人體細(xì)胞種類，研究數(shù)據(jù)將成為探索細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制的資源寶庫，也將對人體正常與疾病細(xì)胞狀態(tài)的鑒定帶來深遠(yuǎn)影響。在未來，臨床醫(yī)生有望通過參照正常的細(xì)胞來鑒別異常的細(xì)胞狀態(tài)和起源。

“天問一號(hào)”開啟火星探測新征程

一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大目標(biāo)

7月23日，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射首次火星探測任務(wù)“天問一號(hào)”探測器，火箭成功將探測器送入預(yù)定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國自主開展行星探測的第一步。

國際上對于火星的探測，起步于20世紀(jì)60年代。截至2020年6月底，人類已對火星實(shí)施了40余次探測任務(wù)，其中成功24次。我國首次火星探測任務(wù)起步雖晚，但起點(diǎn)高、跨越大，從立項(xiàng)伊始就瞄準(zhǔn)當(dāng)前世界先進(jìn)水平確定任務(wù)目標(biāo)，明確提出在國際上首次通過一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大目標(biāo)。如果這一目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)，我國將成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測技術(shù)的國家。

據(jù)介紹，發(fā)射成功只是任務(wù)第一步，此次任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測6個(gè)階段。相比于月球探測，火星探測任務(wù)的難度更大。由于火星相對地球距離較為遙遠(yuǎn)，對發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)都提出了很高的要求。

截至12月14日21時(shí)，“天問一號(hào)”探測器已在軌飛行144天，飛行里程約3.6億公里，距離地球超過1億公里，距離火星約1200萬公里，飛行狀態(tài)良好。

嫦娥五號(hào)去月球“挖土”

書寫人類探月新篇章

11月24日，中國探月工程嫦娥五號(hào)探測器在文昌航天發(fā)射場順利升空，開啟中國首次地外天體采樣返回之旅。這是探月工程的第六次任務(wù)，也是我國航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。12月17日，伴隨著嫦娥五號(hào)任務(wù)的圓滿成功，人類44年以來再次獲得月球樣品。這一任務(wù)開啟了在月球自動(dòng)采樣并將樣品帶回地球的新篇章，對增加人類對月球歷史的了解具有“革命性”意義。

去月球“挖土”，是很多人對嫦娥五號(hào)任務(wù)的通俗解讀。事實(shí)上，嫦娥五號(hào)任務(wù)將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三大工程目標(biāo)，一是要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平；二是要實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)重大跨越；三是要完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。此外還將開展一系列科學(xué)探測，如著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析，月球樣品的分析與研究等。

整個(gè)任務(wù)嫦娥五號(hào)經(jīng)歷了11個(gè)階段、23天的在軌工作，采集了約1731克月球樣品返回地球。

專家表示，嫦娥五號(hào)任務(wù)的順利完成，實(shí)現(xiàn)了中國航天史上5個(gè)“首次”：一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會(huì)對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲(chǔ)、分析和研究。這是我國航天技術(shù)的一次重大跨越，為我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月球提供了重要支撐。

“奮斗者”號(hào)順利返航

創(chuàng)造中國載人深潛新紀(jì)錄

11月10日，“奮斗者”號(hào)創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀(jì)錄，于11月28日順利返航。這標(biāo)志著我國具有進(jìn)入世界海洋最深處開展科學(xué)探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國在海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力。

已知的海洋最深處——西太平洋馬里亞納海溝是板塊俯沖地帶，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)活躍、水壓高、溫度低、完全黑暗，被稱為“地球第四極”。包括探測馬里亞納海溝在內(nèi)的深淵科學(xué)研究，有助于科學(xué)家了解海底生物、礦藏、海山火山巖的物質(zhì)組成和成因，以及深海海溝在調(diào)節(jié)氣候方面的作用。

“奮斗者”號(hào)是我國自主設(shè)計(jì)、集成的萬米載人潛水器。其成功研制，顯著提升了我國載人深潛技術(shù)裝備能力和自主創(chuàng)新水平，為我國探索深?？茖W(xué)奧秘、保護(hù)和合理利用海洋資源提供了又一利器。第二階段萬米海試任務(wù)中，海試隊(duì)員克服臺(tái)風(fēng)、多雨、高溫、高海況等困難，進(jìn)行了多項(xiàng)驗(yàn)收試驗(yàn)，還開展了深海視頻著陸器“滄海”號(hào)和“奮斗者”號(hào)的聯(lián)合作業(yè)。海試過程中獲取了一批沉積物、巖石和海底生物樣品。

“奮斗者”號(hào)的成功海試，充分驗(yàn)證了潛水器各項(xiàng)功能、性能以及我國在深海裝備和深海技術(shù)上的突破，標(biāo)志著我國進(jìn)入深?？瓶嫉谝惶蓐?duì)，將為我國后續(xù)深淵深?？茖W(xué)研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

人造太陽開始放電

加快人類探索未來能源的步伐

12月4日，我國新一代可控核聚變研究裝置“中國環(huán)流器二號(hào)M”（HL—2M）在成都正式建成放電，對超高溫等離子體的磁現(xiàn)象、流體不穩(wěn)定性、約束湍流等前沿研究具有重大意義，標(biāo)志著我國正式跨入全球可控核聚變研究前列。它也是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）的重要支撐，將進(jìn)一步加快人類探索未來能源的步伐。

核聚變由氘、氚離子聚合成氦，聚合中損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為超強(qiáng)能量，這和太陽發(fā)光發(fā)熱原理相同，所以可控核聚變研究裝置又被稱為“人造太陽”?？煽睾司圩冃枰邷亍⒊呙芏鹊葪l件，多采用先進(jìn)托卡馬克裝置，通過超強(qiáng)磁場將1億攝氏度的等離子體約束在真空室內(nèi)，達(dá)到反應(yīng)條件。目前全球在共同探索其實(shí)現(xiàn)方法，建造模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。HL—2M是我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、規(guī)模最大、參數(shù)最高的“人造太陽”。

“放電是為了使HL-2M真空室內(nèi)的氣體變成等離子體態(tài)，我們科研人員將在這個(gè)裝置上進(jìn)行不同種類的放電，最終目標(biāo)是讓足夠多的等離子體被加熱到1億攝氏度以上。我們太陽芯部溫度是1500萬到2000萬攝氏度，這相當(dāng)于太陽芯部溫度的近10倍。等離子體只有被加熱到了1億攝氏度以上才可能實(shí)現(xiàn)可控核聚變。”相關(guān)研究人員表示。

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃是當(dāng)今世界規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際大科學(xué)工程，我國于2006年正式簽約加入該計(jì)劃。法國、日本、美國、英國等多國科學(xué)家持續(xù)多年在成都進(jìn)行聯(lián)合研究，并設(shè)立“中法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)周”，推動(dòng)了全球相關(guān)科研進(jìn)展。

量子計(jì)算原型機(jī)“九章”獲重大突破

一分鐘完成經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)一億年任務(wù)量

12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校潘建偉、陸朝陽等學(xué)者研制的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法“高斯玻色取樣”，處理5000萬個(gè)樣本只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相同操作要用6億年。相關(guān)論文在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上?！犊茖W(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)，這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。

據(jù)潘建偉團(tuán)隊(duì)介紹，之所以將這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)命名為“九章”，是為了紀(jì)念中國古代數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。量子計(jì)算機(jī)具有超快并行計(jì)算能力，它通過特定算法在一些重大問題方面實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。“九章”解決的“高斯玻色取樣”問題就是其中一種。

“高斯玻色取樣”是一個(gè)計(jì)算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題。其計(jì)算難度呈指數(shù)增長，很容易超出目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，適合量子計(jì)算機(jī)來探索解決。

“九章”的算力究竟有多強(qiáng)？在室溫條件下運(yùn)行（除光子探測部分需4K低溫），計(jì)算“高斯玻色取樣”問題，處理100億個(gè)樣本，“九章”只需10小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。

“‘九章’在一分鐘時(shí)間里完成了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)一億年才能完成的任務(wù)。”研究人員介紹。不得不說，其推動(dòng)全球量子計(jì)算的前沿研究達(dá)到了一個(gè)新高度。盡管距離實(shí)際應(yīng)用仍有漫漫長路，但已成功實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑式突破。

珠峰有了“新身高”

采用“空天地一體化”全覆蓋測量

12月8日，中國和尼泊爾聯(lián)合公布珠峰“新身高”——8848.86米。

此前，5月27日，珠峰高程測量登山隊(duì)8名攻頂隊(duì)員從北坡登上珠穆朗瑪峰并完成峰頂測量任務(wù)，2020珠峰“測身高”外業(yè)作業(yè)圓滿收官。

據(jù)了解，此次珠峰“測身高”創(chuàng)下了多個(gè)第一。峰頂全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）測量首次依托中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；人類首次在珠峰峰頂開展重力測量，提高珠峰高程精度；隊(duì)員在峰頂停留了150分鐘，其間還開展了峰頂雪深和氣象等測量，創(chuàng)造了中國人在珠峰峰頂停留時(shí)長新紀(jì)錄。

專家介紹，所謂高程，指的是某點(diǎn)沿鉛垂線方向到絕對基面的距離。測量高程，首先要確定一個(gè)“原點(diǎn)”。我國法定的高程起算面是黃海平均海平面，珠峰高程就是峰頂巖面相對于黃海平均海平面的高差。

據(jù)介紹，本次珠峰的高程測量是分段進(jìn)行的，從位于西藏拉孜的基準(zhǔn)點(diǎn)開始到珠峰腳下的前半程采用水準(zhǔn)測量法，每隔幾十米豎立一個(gè)標(biāo)桿，通過水準(zhǔn)儀測出高差，一站一站地將高差累加起來。當(dāng)精確高程傳遞至6個(gè)峰頂交會(huì)點(diǎn)后，則利用珠峰之巔豎立的測量覘標(biāo)，采用三角高程交會(huì)測量法測出峰頂相對于這幾個(gè)點(diǎn)的高程差。最后，通過進(jìn)行重力、大氣等多方面的改正計(jì)算，確定珠峰高程。

除了水準(zhǔn)測量法和三角高程交會(huì)測量法這些基本方法外，本次珠峰“測身高”可以說是“空天地一體化”全覆蓋測量，綜合運(yùn)用GNSS測量、雪深雷達(dá)測量、重力測量、衛(wèi)星遙感、似大地水準(zhǔn)面精化等多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代測量技術(shù)，讓珠峰的“身高”更加精準(zhǔn)。（付麗麗）