从月背火山到AI芯片 为何2024年度“中国科学十大进展”是它们？丨科技观察

封面新闻记者 边雪

3月27日，2025中关村论坛年会在北京开幕，国家自然科学基金委员会正式发布2024年度“中国科学十大进展”。此次入选成果覆盖深空探测、人工智能、生命医学、量子物理、能源技术等多个领域，展现了中国在前沿科学领域的创新活力与全球影响力。

国家自然科学基金委员会主任窦贤康院士表示，“中国科学十大进展”遴选活动自2005年启动以来已举办20届，旨在宣传我国基础研究取得的重大进展，激发广大科技工作者的科研热情，促进公众了解、关心和支持基础研究。

封面新闻记者在会上了解到，近140位相关学科领域专家学者从700多项基础研究成果中遴选出31项成果，邀请包括440余位两院院士在内的2700余位专家学者对这31项成果进行实名投票，评选出10项重大科学研究成果，经国家自然科学基金委员会咨询委员会审议，最终确定入选名单。

为何2024年度“中国科学十大进展”是它们？我们在现场找到了答案。

嫦娥六号返回样品

揭示月背28亿年前火山活动

2024年6月，嫦娥六号探测器从月球背面南极-艾特肯盆地成功带回1935.3克月壤样本，这是人类首次实现月背采样返回。

中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士团队对样本分析发现，月球背面在28亿年前仍存在活跃的火山喷发，其中最古老的玄武岩年龄达42亿年，与先前认为的月球磁场在约31亿年前急剧下降且一直处于低能量状态不同。这一发现填补了月球地质年表的空白，并揭示了月幔物质从富集到极度亏损的演化过程，为解释月球正面与背面的“二分性”提供了关键证据。

CE-6样品揭示了月球背面样品的独特性，填补了月球背面样品研究的历史空白，为研究月球背面火山活动、撞击历史和月球背面与正面地质差异提供了直接证据，开启了月球研究的新阶段。

实现大规模光计算芯片的智能推理与训练

人工智能技术的迅猛发展，让算力随之呈现远超摩尔定律增长的趋势，新兴智能计算范式的发展迫在眉睫。传统电子芯片的算力瓶颈与高能耗问题，长期制约人工智能发展。而光具备传播速度快、表征维度多、计算功耗低等物理特性。智能光计算用光子替代电子作为计算载体，以光的受控传播实现计算，有望对当前计算范式带来颠覆性的突破，成为新一代人工智能发展的国际前沿。

清华大学戴琼海院士团队研制的全球首款大规模通用智能光计算芯片“太极”，实现每焦耳160万亿次运算的系统级能量效率，首次赋能光计算实现自然场景千类对象识别、跨模态内容生成等通用人工智能任务，以光子替代电子进行矩阵运算，计算速度较传统GPU提升百倍以上，能耗仅为千分之一。

该芯片首次实现从AI训练到推理的全流程支持，为超大规模模型训练和边缘智能设备提供了全新解决方案，有望解决电子芯片痛点问题，以全新的计算范式破除人工智能算力困局。

实现原子级特征尺度

与可重构光频相控阵的纳米激光器

激光器的微型化开启了光子技术发展的新纪元，深刻变革了人类的科技与生活。经过半个多世纪的不懈探索，科研人员成功将激光器的特征尺度缩减至约10纳米。

会议现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

北京大学马仁敏等提出了奇点色散方程，构建了介电体系突破光学衍射极限的理论框架，并研制出迄今模式体积最小的激光器。所研发的奇点介电纳米激光器将激光器的特征尺度推进至原子级。

该研究还构建了基于纳米激光器的可重构光频相控阵，展示了纳米激光器能够以“中”“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。该研究为物质科学和生命科学提供了全新的原子级成像工具。与规激光器相比，纳米激光器还具有更低能耗、更快调制速度等特点，有望在信息技术等领域得到广泛应用。

阐明单胺类神经递质转运机制 

及相关精神疾病药物调控机理

神经递质在大脑信号传导中经历“释放－回收一再装载”的循环过程，该过程的紊乱会引发多种精神疾病。神经递质转运体在该循环中发挥关键作用，因此调控其活性是治疗精神疾病的核心策略，但现有药物存在一定副作用和成瘾风险为阐明神经递质转运机制和药物作用机制，

中国科学院生物物理研究所赵岩团队联合中国科学院物理研究所姜道华等，系统阐明了多种神经递质转运体介导多巴胺、去甲肾上腺素、甘氨酸和囊泡单胺的转运过程；揭示了它们与不同精神疾病药物的精准作用机制，并发现了新型低成瘾性药物结合位点。该系列研究加深了对神经递质循环的理解，为设计副作用小、成瘾性低的精神疾病治疗药物提供了结构基础，并将推动我国精神疾病药物研发的进程。

异体 CAR-T 细胞疗法

治疗自身免疫病

长期以来，如何缓解和治愈自身免疫性疾病是全球共同面临的医学难题。CAR-T细胞疗法带来了新希望，但传统自体 CAR-T细胞疗法存在个性化生产周期长、费用高等局限性，限制了其广泛应用。

海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）徐沪济、华东师范大学杜冰、浙江大学医学院附属第二医院吴华香和华东师范大学刘明耀等采用自主研发的异体 CAR-T细胞开展临床研究，成功治疗了1名难治性免疫介导的坏死性肌炎患者和2名重症弥漫型系统性硬化症患者。

这也是国际上首次报道，使用健康供者来源的异体通用型 CAR-T 细胞治疗自身免疫病，在临床上取得了显著的疗效，对广泛使用CAR-T细胞疗法和降低其治疗费用起到推动作用。

额外X染色体多维度影响

男性生殖细胞发育

X染色体的基因表达量对生殖发育至关重要。克氏综合征（47，XXY）是男性不育最常见的遗传学原因，其额外的x染色体损害男性生殖细胞发育的分子机制数十年来始终未解。

会议现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

北京大学乔杰、袁鹏、闫丽盈、魏瑗等研究发现，克氏综合征男性生殖细胞的发育缺陷始于胎儿期，其生殖细胞的额外又染色体未发生失活，导致x染色体基因表达失衡，减数分裂等分化基因被抑制，迫使细胞滞留于幼稚状态。此外，生殖细胞与支持细胞的互作异常会干扰二者的协同迁移，妨碍其进一步分化。体外实验发现抑制 TGF-B 通路可促进生殖细胞分化。该研究不仅为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，也为早期治疗提供了重要的理论依据。

北京大学乔杰团队对男性生殖细胞发育中额外x染色体的影响进行了深入研究，揭示了在克氏综合症中，两条x染色体的表达导致基因表达过量，进而影响细胞稳态和生殖细胞分化相关基因的表达，导致发育阻滞。研究还发现支持生殖细胞发育的支持细胞与生殖细胞之间的信号异常，阻碍了生殖细胞向睾丸的迁移，加剧了发育的阻滞。此外，研究团队发现抑制TTF通路可以促进克氏综合症胎儿生殖细胞的分化，为治疗提供了理论基础。

凝聚态物质中

引力子模的实验发现

引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种神奇现象，它由时空的剧烈扰动产生，其基本量子特征表现为自旋为2的引力子。另一方面，凝聚态物理专注于研究材料中出现的各种物理现象。近年来，物理学家将广义相对论中的几何描述方法引入到凝聚态物理的某些体系中，特别是在分数量子霍尔系统中。如果扰动这些系统的量子空间测度，可能会涌现出类似“引力波”的现象。这些现象的量子特征与引力子相似，被称为引力子模，是一种自旋为2的低能集体激发模式。

会议现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

南京大学杜灵杰等搭建了极低温强磁场共振非弹性偏振光散射平台。实验使用的样品是砷化镓半导体量子阱，其中的两维电子气在强磁场下形成分数量子霍尔液体。实验测量是一个双光子拉曼散射过程，入射光子被量子液体吸收，然后量子液体再发射出一个光子。由于光子自旋为1，不同自旋的入射及出射光子可以产生自旋为0及+2和―2的元激发，自旋只为+2或―2的激发就是引力子模。最终在分数量子霍尔液体中首次成功观察到引力子模，并发现其具有手性。

这是首次探测到具有引力子特征的准粒子。中国科学院物理研究所吴江平研究员指出，该团队在分数量子霍尔效应系统中首次探测到具有引力子特征的准粒子，为探索宇宙尺度提供了新的实验平台。“这项研究不仅为探索引量子引力问题提供了新思路，还可能对探测半导体电子系统的微观结构以及实现拓扑量子计算起到推动作用。”

高能量转化效率

锕系辐射光伏微核电池的创制

作为清洁能源之一，核能正在我国快速发展，伴随而来的大量核废料中含有半衰期长达数千年到百万年的锕系核素，长期被视为环境负担。为此，苏州大学王殳凹、王亚星和西北核技术研究所/湘潭大学欧阳晓平等提出了一种新型锕系辐射光伏核电池的技术方案，通过创新设计将核废料中锕系核素衰变释放的能量转化为持久电能，实现了变废为宝。

传统辐射光伏核电池在利用锕系核素衰变能时，会受到α粒子自吸收效应的限制，导致能量转换效率较低，难以充分发挥锕系核素所蕴含的巨大能量。为突破这一瓶颈，该团队通过引入“聚结型能量转换器”概念，通过在分子级别上将放射性核素与能量转换单元紧密耦合，从根本上克服了自吸收效应，大幅提升了衰变能转换效率。实验中，研究团队将核废料中关键的锕系核素243Am均匀掺入稀土发光配位聚合物晶格中，形成了紧密耦合的晶体结构。

实验表明，利用核废料中的阿尔法放射性材料，可以实现接近全球转化效率的光能到电能的转换。复旦大学马玉刚院士告诉封面新闻记者，这项成果不仅在技术上具有深度，而且在应用上具有潜在价值，为核电池的开发和放射性废物的资源化利用提供了新的思路。

发现超大质量黑洞

影响宿主星系形成演化的重要证据

星系是宇宙结构的基本组成单元。星系之所以发光，主要是因为其内部含有数千亿颗恒星。按照星系恒星形成能力的强弱，天文学家一般把星系分为两类：较为年轻、能够持续产生新的恒星的“恒星形成星系”（如银河系），和较年老、几乎没有新的恒星形成的“宁静星系”（比如M87星系）。研究恒星形成星系如何转变为宁静星系，即星系如何由“生”到“死”的问题，是星系宇宙学的最核心任务之一。

会议现场。（封面新闻记者边雪拍摄）

围绕这一核心任务，自20世纪70年代科学家就提出，星系的中心黑洞在成长过程中释放的巨大能量对星系的形成演化有重要影响。这一理论虽已成为当前主流星系形成演化模型的共识，但长期缺乏直接观测证据。

南京大学天文与空间科学学院王涛教授团队通过分析近邻星系的黑洞质量与冷气体含量的关系，首次揭示了星系中心超大质量黑洞对宿主星系演化的关键作用。研究团队整合了国内外多个天文台近20年的观测数据，发现中心黑洞质量越大的星系，其冷气体（以原子氢为主）含量越低，而冷气体是恒星形成的原料。这一负相关关系表明，黑洞通过限制冷气体供给，抑制恒星形成，推动星系从活跃的“恒星形成星系”向“被动演化星系”转变。

研究初期，团队通过对小样本数据的分析发现这一关系“完美得难以置信”，随后扩大样本范围，排除其他干扰因素（如星系质量、环境等），验证了黑洞质量是决定冷气体含量的核心参数。团队还发现，无论星系类型如何，均遵循同样的黑洞质量－冷气体关系，为统一解释星系演化提供了新框架。

“研究团队通过精确测量黑洞质量和冷气体质量，发现黑洞质量与冷气体含量之间存在强相关性，揭示了黑洞质量越大，冷气体含量越小的规律。”中国科学院云南天文台韩占文院士告诉封面新闻记者，这一发现为理解星系从生到死的演化过程，提供了关键证据，为星系演化研究迈出了重要一步。