中国科技实力有多强？看看2015年国际物理学十大突破
2015/12/15 瞭望智库
2015年12月11日，欧洲物理学会(Institute of Physics)新闻网站《物理世界》(Physics World)公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破。
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列榜首，被评为年度突破(Breakthrough of the Year)。其他九大突破排名不分先后，由美国、德国、荷兰、葡萄牙、中国、澳大利亚、日本等国家的科学家分享。
下面我们尽量用公众能够理解的语言来介绍这些重大成就。如果您还是看不懂，没关系，您肯定能看懂文末基于这十大突破对中国科技实力的解读。
文︱中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰
本文转载自资讯新媒体《观察者网》(ID：guanchacn)，转载已获权，不代表瞭望智库观点
最年轻的院士、27岁时科研成果就入选“年度全球十大科技进展”、31岁毅然回国组建自己的实验室、帮助中国在量子通信的前沿科技领域处于世界领先……近年来，在合肥工作的潘建伟是中国最耀眼的科技明星之一，也被认为是距离下一个科技诺贝尔奖最近的中国人之一。
陆朝阳，英国剑桥大学博士，中国科学技术大学教授。在国际上首次实现六光子纠缠、八光子纠缠和十比特超纠缠，三次刷新了多光子纠缠和光学量子计算领域的两项世界记录，两次入选了两院院士评选的年度中国科技十大进展新闻。
首先来看年度突破。2015年2月26日，国际顶级科学期刊《自然》(Nature)以封面标题的形式发表了潘建伟、陆朝阳等人的文章《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)。
这则消息当时就令许多人激动不已，观者如堵。但媒体的报道对绝大多数读者来说都属于云里雾里、不知所云，于是有大量“不明真相的群众”表示：“你们说的每一个字我都认识，但是你们说的东西我一点都听不懂!赞!!”简称“不明觉厉”。
为此我写了一篇《科普量子瞬间传输技术，包你懂!》及其补遗，令许多人对量子力学、量子信息和这项工作有了一些了解，包括从事传统信息行业、想学习量子信息却不得其门而入的朋友们。
简而言之，这项工作的新成果在于“多个自由度”，因为以前已经实现了单个自由度的量子隐形传态。
什么是量子？一个量如果存在最小的不可分割的基本单位，就像上台阶一样，只能上一个一个的台阶而不能上半个台阶，我们就说这个量是量子化的，把这个最小单位称为量子。我们日常所见的宏观世界似乎一切都是无限可分的，微观世界里却有很多物理量是量子化的，例如原子中电子的能量。
所以准确描述微观世界的理论必然是量子化的，这种理论就是量子力学。宏观物质是由微观粒子组成的，所以对宏观世界的准确描述也必须是量子力学。中学里学的牛顿力学只是对宏观世界的近似描述，在作为量子力学对立面的意义上被称为经典力学。
什么是量子隐形传态？这是一种在1993年提出的方案，把粒子A的未知的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子，A、B的空间位置都没有变化，并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时，A的状态必然改变，任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以并不能复制状态，或者说这是一种破坏性的复制。
在宏观世界复制一本书或一个电脑文件是很容易的，在量子力学中却不能复制一个粒子的未知状态，这是量子与经典的一个本质区别。很多人听说量子力学中状态的变化是瞬时的，无论两个粒子相距多远，于是认为隐形传态的速度可以超过光速，推翻相对论。错了。隐形传态的方案中有一步是把一个重要的信息(可以理解为一个密钥)从A处传到B处，利用这个信息才能把B粒子的状态变成目标状态。这个信息需要用经典信道(例如打电话、发邮件)传送，速度不能超过光速，所以整个隐形传态的速度也不能超过光速。
很多人把隐形传态当成科幻电影中的传送术，瞬间把人传到任意远处，然后还担心复制人和本尊的伦理问题，其实这些理解都是错误的。量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子。打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过隐形传态，我们可以让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色，无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。
量子隐形传态是在什么时候实现的？是1997年，当时潘建伟在奥地利维也纳大学的塞林格(Zeilinger)教授组里读博士，他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(“Experimental quantum teleportation”)的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。
什么是自由度？自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。例如一个静止在一条线上的粒子，描述它只需要一个数，自由度就是1。静止在一个面上的粒子，自由度就是2。三维空间中的静止粒子，自由度就是3。描述三维空间中一个运动的粒子，需要知道位置的3个分量和动量的3个分量，自由度是6。光子具有自旋角动量和轨道角动量，如果你看不懂这两个词，没关系，只要明白它们是两个自由度就够了。在1997年的实验中，传的只是自旋。此后各种体系的各种自由度都被传输过，但每次实验都只能传输一个自由度。
传输一个自由度固然很厉害，但是只具有演示价值。隐形传态要实用，就必须传输多个自由度。这在理论上是完全可以实现的。打个比方，现在用颜色和形状来表示状态，A粒子最初是红色的正方体，我们可以让B粒子变成红色的正方体，同时A变成绿色的球体。这个扩展看似显而易见，但跟传输一个自由度相比，有极大的困难。
隐形传态实验一般需要一个传输的“量子通道”，这个通道是由多个粒子组成的，这些粒子纠缠在一起，使得一个粒子状态的改变立刻就会造成其他粒子状态的改变。用物理学术语说，这些粒子处于“纠缠态”。制备多粒子的纠缠态已经是一个很困难的任务了，而要传输多个自由度，就需要制备多粒子的多个自由度的“超纠缠态”，更加令人望而生畏。潘建伟研究组就是攻破了这个难关，搭建了6光子的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，才实现了自旋和轨道角动量的同时传输。
用《道德经》的话说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”1997年实现了道生一，那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二，这时他已经是量子信息的国际领导者。从传输一个自由度到传输两个自由度，走了18年之久，这中间有无数的奇思妙想、艰苦奋斗，是人类智慧与精神的伟大赞歌。
下面我们来看其余九大突破。再次强调，排名不分先后，九名并列亚军。每一项工作都是科学家们的卓越成就，值得我们热烈鼓掌。基本内容是我对上引欧洲物理学会新闻的翻译，有些地方加上我的注释。
首次测量到单电子的同步辐射。奖给8号项目(Project 8)协作组(注释：8号项目的两位发言人来自美国的麻省理工大学和加州大学圣塔芭芭拉分校)，他们测量到氪-83的β衰变中发射出的单个电子的同步辐射。辐射是在电子通过磁场时发出的，使得团队可以对粒子被发射时的能量作出非常精确的测量。
8号项目正在努力提高测量精度，以用于计算物理学中最难以捉摸的量之一——电子型反中微子的质量，这些电子型反中微子也是在β衰变中发射出的。注释：根据相对论，能量等于质量乘以光速的平方。因此如果精确地知道一个核反应前后那些能观测到的粒子的能量，两者相减就得到那些观测不到的粒子(在这里是电子型反中微子)带走的能量，也就知道了这些粒子的质量。因为中微子的质量非常微小，接近于零，所以这个实验需要极高的精度，才能得出有意义的结果。
终于发现了外尔费米子。奖给普林斯顿大学的Zahid Hasan、麻省理工大学的Marin Solja?i?以及中国科学院(注释：物理研究所)的方忠与翁红明，为他们关于外尔费米子的先驱性工作。
这些无质量的粒子是德国数学家赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)在1929年预言的。Hasan和方忠、翁红明领导的团队各自独立地在准金属砷化钽(TaAs)中发现了一种准粒子的指示性证据，这种准粒子表现得就像外尔费米子。Solja?i?和同事们在一种非常不同的材料中发现了存在外尔玻色子的证据，——一种“双gyroid”(注释：gyroid是一种无穷连接的三重周期性最小面，参见https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroid)的光子晶体。
外尔费米子的无质量特性意味着它们可能被用于高速电子学，此外由于它们面对散射时受到拓扑保护，对量子计算机可能也有用处。
注释：对外尔费米子的一个介绍，可以见中科院物理所戴希研究员的博客《外尔半金属的故事》(http://blog.sciencenet.cn/blog-600872-906367.html)，他和方忠用理论计算预测了在TaAs中发现外尔费米子的可能性。现在发现的外尔费米子不是真实的粒子，而是一种真实粒子的集体运动模式，即准粒子，这是凝聚态物理中特有的现象。外尔最初是在粒子物理领域预言这种粒子的，寻找它花了86年，最终却是在凝聚态物理领域找到了这种粒子。在凝聚态物理中实现粒子物理的理论，是当代物理学一种普遍而有趣的思路。
物理学家宣称实现了“无漏洞”的贝尔不等式实验。奖给荷兰代尔夫特理工大学的Bas Hensen、Ronald Hanson与同事们，他们进行了既没有局域性漏洞也没有探测性漏洞的贝尔不等式测量。他们的实验涉及位于相距1.28公里的金刚石中的纠缠的自旋，然后测量自旋之间的关联。金刚石之间距离这么远，以及自旋测量相对容易，保证了整个实验是无漏洞的，——实验结果证实了看似怪异的量子力学纠缠概念。
注释：贝尔不等式说的是，某些自旋之间的关联在经典力学中必然低于某个上限，而这个上限是量子力学能够达到的。因此如果测量结果违反贝尔不等式，就说明经典力学是错误的，量子力学是正确的。1982年，阿斯佩克特等人做了这样的实验，结果确实违反贝尔不等式。后来又有许多研究组用各种方法重复这个实验，结论大都一致。
但以前的实验都存在漏洞，或者是局域性漏洞，或者是探测性漏洞，也就是说，经典力学原则上还是有可能解释实验结果，因此较起真来，结论还不能完全确定。这两种漏洞有某种互补性，缩小一个漏洞就会扩大另一个漏洞，因而以前一直不能同时消灭两者。现在通过巧妙的实验设计和高超的技术手段，第一次同时克服了这两个漏洞，所以可以说是对贝尔不等式测量的盖棺定论。这是一项重大的进步，但如果要问，对大多数科学家的观念有什么影响？回答是没有影响，因为从1930年代以来，绝大部分科学家早就相信量子力学了，都用不着贝尔的不等式和阿斯佩克特的实验。
量子力学的纠缠概念对公众来说很怪异，对科学界来说却是老生常谈，否定它才出人意料，肯定它只是再次证实常识。这类实验是以更突出的矛盾、更高的可靠性来检验一个已经被广泛接受的理论。如果结果是否定性的，整个科学界就会轰动，大家需要重新构建物理学大厦了。现在的结果都是肯定性的，量子力学再一次被证明为正确，那对大多数人来说就只是满足好奇心而已。当然，实验在技术上的进步是很重要的，例如在相距这么远的金刚石之间保持纠缠的方法。
首次探测到来自太阳系外行星的可见光。奖给葡萄牙天体物理与空间科学研究院与波尔图大学的Jorge Martins及其在葡萄牙、法国、瑞士、智利的同事们，他们首次测量了由一颗系外行星反射的高分辨率光谱信号。该团队使用了高精度径向速度行星搜寻设备(在欧洲南方天文台下属的La Silla天文台)，研究来自51飞马座b星的光，——它是在1995年发现的。利用他们发展的新技术，Martins和同事们能够测量这颗行星的质量、轨道倾角和反射率，这些数据可以用来推断行星表面和大气的成分。
按：我们以前只能观测到恒星的光，看不到太阳系外行星的光，也就对系外行星的成分一无所知，甚至连它们是固态、液态还是气态都不清楚。这个项目大大增进了我们对系外行星的了解，说不定能找到适合人类生存的星际移民目的地。
LHCb(“大型强子对撞机的美丽”，Large Hadron Collider beauty)宣称发现两个五夸克态。奖给欧洲核子研究组织(CERN)的LHCb协作组，他们表明五个夸克可以在被称为五夸克态的粒子中被束缚在一起。
五夸克态的存在是在1970年代被首次预言的，在21世纪是争议的对象。今年，当两个质量约为4400 MeV/c2的五夸克态从大型强子对撞机的质子碰撞中涌现出来时，这个问题终于解决了。两个信号的统计显著度都超过9σ，远高于粒子物理中确认一个发现的黄金标准5σ。
注释：质子和中子这样的重子是由三个夸克组成的，在重子之间传递相互作用的介子是由两个夸克组成的。夸克从来不会单独出现，因为把两个夸克分开时要耗费的能量太大，超过夸克质量对应的能量，于是会产生新的夸克。那么有没有多于三个夸克组成的粒子呢？理论预测了四个和五个夸克组成的粒子，但一直没有被证实。现在终于发现了五夸克态，可喜可贺。
硫化氢在203 K下是超导温度最高的超导体。奖给马克斯·普朗克化学研究所和约翰尼斯·古腾堡大学(都位于德国美因茨)的Mikhail Eremets和同事们，他们发现了第一种在地球表面能自然出现的温度下超导的材料。
该团队发现，150万个大气压的极端压强下的硫化氢直到203 K都是超导体，这个温度比南极洲记录到的最低温度要高19K。虽然还需要进一步的研究来理解为什么这个材料会超导，这项发现可能已经为超导的圣杯即室温超导体铺平了道路。
注释：超导体就是电阻为零的材料，在其中传输的电流永远不会衰减，有许多奇妙的应用前景。然而到目前为止，超导都只能在很低的温度下实现，能超过液氮温度(77 K，即零下196摄氏度)就算“高温超导”了。这项工作一下子把超导温度提高了几十度，甚至都超过了地球表面的最低温度，这是个重要的里程碑。当然离实用还很远，因为150万大气压的压强是个严重障碍。
2014年，吉林大学的马琰铭和崔田两个研究组各自通过理论计算预测了硫化氢的超导性，马琰铭等人预测H2S在160 GPa的压强下(1 GPa约等于1万大气压)超导温度为80 K，崔田等人预测H3S(H2S与H2的复合物)在200 GPa下超导温度在191 K至204 K之间。Eremets等人大幅引用和致谢了崔田和马琰铭的结果，参见知社学术圈的《Nature: 中国学者预测的203K超导体被实验证实 | 颠覆所有极限!》(http://chuansong.me/n/1848797)和《关于中国学者预测203K超导体被实验证实的补充说明》(http://chuansong.me/n/1851448)。
中国科学家对这项发现也有重要贡献，不过由于所用的理论是传统的BCS超导理论，计算的难度并不很大，而实验的难度要大得多，所以实验家的荣誉高于理论家的荣誉。
便携式“战地磁共振影像(MRI)系统”走出实验室。奖给美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Michelle Espy和同事们，他们造出了实用的、便携的、超低磁场的MRI系统。与传统的用超导线圈产生很强磁场的MRI系统(注释：看，这就是超导的用途之一)不同，新系统所用的磁场要弱得多，从远方产生这种磁场就容易多了。
然而这意味着该系统必须能够探测弱得多的信号，这一点它是用超导量子干涉仪(SQUID)来实现的(注释：避开了超导的一种用途，又用到超导的另一种用途)。由于有低功耗和轻质量的优点，该团队希望这种原型设计能够尽快部署到发展中国家的医疗中心以及战地医院。按：这是十大物理学突破中唯一跟日常生活直接相关的，可能欧洲物理学会选择它也有这方面的原因。
费米子显微镜露出曙光。奖给美国麻省理工大学的Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和同事们，他们制造了第一台“费米子显微镜”——一台能够为超冷气体中多达1000个独立原子成像的设备。对于理解材料中的电子如何相互作用，已经有许多重大的进展。这是通过把费米子原子冷却到超低温度、再用光和磁场精细调节原子间的相互作用来实现的。通过允许物理学家观测单个费米子在气体冷却时的行为，费米子显微镜把这种方法又推进了重要的一步。
这项新技术可能很快就会被研究者用于观测原子间的磁相互作用，甚至可能被用于探测体系内的量子纠缠。注释：这项工作的重要性，在于把观测对象从很多原子的集合缩小到单个原子，即大大提高了分辨率。由此我们有可能观察到很多以前想象不到的现象，以后还有可能把对单原子的观测(只是看)升级为控制(不仅看还能动)。想想看，如果我们可以随意观察和操控单个原子，而且这些原子还是处于量子纠缠中的，我们能够看到和造出多少不可思议的东西! 硅量子逻辑门是第一步。奖给澳大利亚新南威尔士大学和日本庆应义塾大学的Andrew Dzurak、Menno Veldhorst和同事们，他们造出了第一个硅的量子逻辑器件。他们的控制非(CNOT)门是量子计算机的一个基础元件，以前是用传统的半导体加工工艺制造的。这个器件用电子自旋来存储量子信息，研究者们现在计划把技术扩展到制造完全意义的量子计算机芯片。
按：量子计算机在理论上对于某些问题比现在的计算机(经典计算机)快得多。例如对于因子分解，传统算法的计算量随位数的变化是指数增长，而量子算法只是多项式增长。分解一个5000位的数字，在原理上经典算法需要50亿年的时间，量子算法只需要2分钟。可是目前还没有实用意义上的量子计算机，原因之一就是用的材料都不是硅，量子信息只能用硅之外的光子、离子阱、核磁共振等方式来储存。现在可以用硅来储存与操作量子信息，半个多世纪以来半导体技术的丰富积累就有可能用上，大大促进量子计算机的发展。
介绍完十大物理学突破，我们来统计一下有哪些国家出镜，各国参与了多少项工作。中国独占一项(榜首的多自由度量子隐形传态)，分享一项(外尔费米子)。美国独占三项(单电子同步辐射、便携式MRI和费米子显微镜)，分享一项(外尔费米子)。荷兰独占一项(无漏洞的贝尔实验)。德国独占一项(硫化氢的203 K超导)，对此中国科学家做了理论预测。澳大利亚和日本分享一项(硅量子逻辑门)，这一项有点奇怪，Andrew Dzurak和Menno Veldhorst的名字看起来都不像日本人，可能以澳大利亚的贡献为主。葡萄牙领衔，和法国、瑞士、智利分享一项(系外行星的光)。欧洲作为整体，有CERN发现的一项(五夸克态)。
按照这个统计，美国共有四项，整体实力是最雄厚的。中国有两项，包括榜首，整体仅次于美国，并且在局部占据制高点。中国的科技正处于爆炸式发展之中，潜力最大，前途不可限量。本文中提到的潘建伟、陆朝阳、方忠、翁红明、戴希、马琰铭和崔田分别出生于1970年、1982年、1970年、1977年、1971年、1972年和1964年，年富力强，充满朝气，他们是中国科技井喷的缩影。
欧洲各国加起来共有四项，作为整体仍然是科学中心之一，但由于政治的碎片化，单独一国都不如中美两个超级大国。澳大利亚、日本和智利是中美欧之外仅有的上榜国家，而且只有一项成果是中美欧都未参与的。可以认为，美国、欧洲和中国是目前的三大科学中心。如果把中国扩大到东亚，把日本、韩国甚至澳大利亚都包括进去，那就更是铁板钉钉了。这三大地区之外的国家，如俄罗斯、巴西、印度、印尼，在世界科学版图上都处于边缘地位。
中国科学界在2015年收获了屠呦呦的自然科学诺贝尔奖、科大团队的国际物理学年度突破，2015年必将作为崭露头角的一年被历史铭记。对中国的科学工作者、科普工作者和爱好科学的公众来说，这是最好的时代。对喋喋不休中国人不会创新、永远没希望的逆向民族主义分子来说，这是最坏的时代，我们对他们的无知和偏执感到可怜。
最大的幸福属于年轻学子，你们的面前有崭新的世界，无限的希望!
致谢：感谢风云学会研究员郭晓明博士(@西西河氏唵啊吽 )、陈经等人提出的宝贵意见。
附：
盘点2014年中国十大科技成果 将改写未来
2014年，中国科学界的第一件大事，是国家自然科学一等奖的颁奖。因为有“国际首创”的硬指标，2000年以来的14年中，该奖项仅仅颁出5次，可谓是中国含金量最高的科技大奖。这次获奖的“铁基超导”，也不可避免地被人们用放大镜审视，赞赏者说有诺奖资格，批评者则指出，日本科学家早就提出了思路，中国人并无开创之功。
“世界领先”，是中国科学家几十年来一贯的追求，也是旁观者始终解不开的心结。
2014年，中国的确在一个领域成为了“世界领先”。IMF说，按购买力平价，中国GDP今年已经超过美国，2015年将成为中国世纪的元年。由此引发的争论，当然更加激烈，只能交由时间去检验。不过，假如我们相信中国真的成了GDP第一，这又意味着什么？
历史总能给我们讲述一些有趣的故事。1872年，美国GDP总量超越英国。不知道是不是巧合，1870年代的科学界，也发生过一场美国人和英国人之间，有关“首创”的争论。
1859年，12岁的爱迪生找到了一份在火车上售报的工作，十年后的1869年，他已经在纽约成立了自己的科技公司，发明了“爱迪生普通印刷机”。1879年，爱迪生设计出白炽灯，让自己青史留名。
爱迪生的故事如今人尽皆知，英国人约瑟夫·斯万却没有这样的运气。比爱迪生年长不少的斯万，早在1860年就发明了白炽灯的原型，1875年，他改进了当年的技术，先于爱迪生造出实用的白炽灯，并于1878年拿到专利。斯万和爱迪生的专利之争一度被人上纲上线到国家层面，但今天，两位科技先驱同样受人尊重。
维多利亚时代的英国人是否曾想到，一百多年后的人们回想起那个年代，总是先想到小学课本里的爱迪生，而不是伟大的“日不落帝国”？
今天的我们，又该如何认识自己的时代？对于80后来说，小学课本里的现代科技是日本新干线、美国铱星。如果2014年的我们要给下一代人编写课本 ，又会写些什么？是中国高铁开始在全球布局，还是第一颗量子通信卫星已经完成攻关？
对未来的想象总是充满魅力。当爱迪生在美国建立起庞大的电网系统时，他一定已经料到，100余年后的今天，电力已经成为人类的基本需求。但他恐怕想不到，100余年后的今天，美国老旧的电网在每一次飓风面前变得脆弱不堪，而饱受环保主义者批评的中国特高压建设正在艰难前行。
那么再过100年，中国人将会如何改变世界？转基因技术能够在全球消灭饥饿吗？意念控制将治愈瘫痪吗？核电将提供用之不竭的清洁能源吗？
回顾2014，挑选出中国科技工作者的十大进展，标准不是“世界领先”，不是行业重要性，只希望与读者们一起展望一种未来。
铁基超导摘得国家大奖
2014年初的国家科学技术奖励大会上，赵忠贤院士等人的“40K以上铁基高温超导体”研究获颁2013年度国家自然科学一等奖。
超导被认为是21世纪材料领域最重要的课题，在这个领域已有10人获得5次诺贝尔奖。基于超导原理的磁悬浮铁路已经为中国人所熟悉，医院使用的磁共振成像仪器(MRI)中的磁体也基本上都是由超导材料制成的。超导现象一般要在接近绝对零度时才会出现，找到转变温度在40K以上的材料已经十分难得。《科学》杂志对此评论称，“中国如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。”
没想到的是，这一奖项随后在科学界引发质疑。有科学家称，日本科学家Hosono在2008年就在高压状态获得43K的临界温度，中国科学家常压下的稀土元素替换做法和加高压起到的是类似效果，因此算不得原创。
2014年底，这一争论已经逐渐平息，而获奖成员之一的陈仙辉教授又发现了一种新的铁基超导材料OHFeSe。
首颗“量子卫星”关键部件研制完成
有了量子通信，CIA再也别想监听你啦。光量子电话网的“一次一密”提供了绝对安全：两人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用。中国已经建成了试验性的量子通信城域网，可用于金融机构的隐匿通信等工程，也可用于对电网、煤气管网、自来水网等重要能源供给和民生网络基础设施的监视和通信保障。
今年末，由中国科学家完全自主研发的世界首颗“量子科学实验卫星”完成关键部件的研制与交付，卫星有望先于欧美在2016年左右发射，在轨设计寿命为2年。到2030年，中国有望建立首个全球量子通信网络。国际权威学术期刊《自然》曾评论：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。”
(量子通信首席科学家，中国科学技术大学潘建伟教授)
意念控制瘫痪肢体
因中风导致偏瘫的董阿姨只通过“想”，就能“指挥”自己原本无法动作的肢体“听话”地完成相应动作，以后甚至能站起来行走、拿东西，直至慢慢康复。身随意动、思行合一，这不是科幻电影中的场景，而是借助了天津大学研制的人工神经康复机器人系统。“我们给机器人系统起名为‘神工一号’，取义‘鬼斧神工’”，6月14日，这项让不少中风、瘫痪人士燃起独立生活希望的成果公布，标志着我国在康复医学上的重大突破。
一名瘫痪少年在脑控机械外骨骼的帮助下，为今年的巴西世界杯开球。与在世界杯上亮相的脑控机械外骨骼相比，“神工一号”更能够体现出“纯意念”。体验者把装有电极的脑电探测器戴在头部，并在患病肢体的肌肉上安装电极，借助“神工一号”的连接，就可以用“意念”来“控制”自己本来无法行动的肢体。将来的“神工二号”、“神工三号”体积会更小，便携可穿戴。它可以辅助病人完成更多复合精细的肢体动作，推广至包括脊髓损伤在内的更多患者，甚至实现重症瘫痪的意念交流。它对大脑状态的探测与分析、肌骨运动健康的维持和训练等一系列技术新思路将应用于一些特殊人群，比如长期在轨的航天员，在我国载人航天计划中大有用武之地。
超级稻亩产过1吨
2014年9月，湖南杂交水稻研究中心的最新成果——“Y两优900”湖南隆回百亩高产示范片，平均亩产达到1006.1公斤，首次实现了超级稻百亩片过千公斤的目标，标志着第四期超级稻研究的重大突破。袁隆平实现了亩产过1吨的承诺。
如今，水稻也不再仅仅是南方的专利。10月，新疆生产建设兵团的146亩“水稻机械精量旱穴播技术与机具”示范田亩产也达到1042.97公斤，打破了袁隆平的纪录。新疆兵团采用的这一技术是靠水稻直播机在旱地直接整地、播种，不需要育秧、栽秧，可大大节省劳动力，适合在干旱地区推广。
旱地能种水稻，海里也行。2014年10月，广东湛江种植专业合作社主任陈日胜坚持种植了28年的海水稻获得农业部认可。中国的盐碱地有6.3亿亩之多，基本撂荒，如果都能长出水稻，以目前产量(亩产300斤)计，每年能多打1890亿斤粮食，相当于现有全国粮产的五分之一。
温饱是最大的人权，中国的科技工作者一直在践行这一观念。
(袁隆平院士在隆回田间察看超级稻)
中国批准一种转基因玉米进口
美国农业部部长汤姆·维尔萨克年底透露，中国农业部已经批准进口先正达集团所开发的、含有MIR162成分的抗虫转基因玉米。
MIR162转基因玉米2014年屡屡成为关键词，并且早已超出了科学范畴。仅仅2014年上半年，中国退运至少125万吨MIR162玉米，造成美国公司和农民损失近29亿美元，成为两国经贸关系的重要议题。美国农民为什么热衷于种植转基因作物？显然是因为廉价高产。最近十年，来自巴西和美国的转基因大豆已经严重冲击了中国东北的农业，而在民间抗议声不断的背景下，中国的转基因技术发展近乎停滞。有消息称，中国转基因水稻的合法牌照已经到期，但官方迟迟没有续发。
说白了，转基因在中国已经不是一个科学问题，而是民众对政府的信任问题。转基因自然有其风险，但也节省了大量化肥农药，如何权衡利弊，显然不能“隔壁王大妈说了算”。袁隆平说，他愿意带头试吃转基因。科学家的人格能够换来理性的交流吗？
揭示老年痴呆症致病蛋白结构
施一公第一次被普通人知道，恐怕还是因为2年前沸沸扬扬的院士风波。不过施一公本人并没有把精力全部放在批评体制上。如今，他顺利增选为院士，在科研上也有新的成果。
他领导的研究组在世界上首次揭示与阿尔茨海默症(即老年痴呆)发病直接相关的人源γ分泌酶复合物的精细三维结构，为理解γ分泌酶复合物的工作机制以及阿尔茨海默症的发病机理提供了重要线索，在人类对该病的研究历史上迈出了关键一步，填补了空白。该成果以长文的形式由英国《自然》杂志于6月29日在线发表，并且罕见地同时收到《细胞》、《科学》等期刊的投稿邀请。施一公自己也表示：“这是我职业生涯上最重要的突破。”
探月再入飞行器试验成功
2014年，印度航天放了一颗“迷你卫星”，用美国拍一部科幻电影的钱发射了自己的第一个火星探测器。相比之下，中国的目光“短浅”得多，继续专注于月球。
中国探月“三步走”终于走到了最后一步。2014年10月，我国自行研制的探月工程三期再入返回飞行试验器，在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭发射升空，一周后完成绕月并成功返回地球。这次试验的“打水漂”式着陆技术并不是什么新创造，但从月球轨道以极高的速度返航，仍然充满着风险。
每走一小步，都进行谨慎的试验，这或许正是中国航天低事故率的原因。2014年，中国仅仅进行了16次卫星发射，少于2013年，且上半年只有1次发射。外界猜测，这段时间中国是在改进火箭的安全性。2014年，美国的新一代“天鹅座”飞船发射后爆炸，国际空间站不得不继续依赖老旧的联盟号维持给养。未来人类的空间站将只能依赖中国吗？美国电影《地心引力》的预言并不是天马行空。
(“打水漂”式着陆)
高铁实现100%中国制造
李克强满世界推销中国高铁的背后，是高铁人终于有了取代西方的底气。11月25日，装载“中国创造”牵引电传动系统和网络控制系统的中国北车CRH5A型动车组进入“5000公里正线试验”的最后阶段。牵引电传动系统就是“高铁之心”，犹如人的心脏，是列车的动力之源，决定高铁列车能否高性能高舒适地运行；网络控制系统则是“高铁之脑”，决定和指挥着列车的一举一动。历时七年研发探索，100%自主化的中国高铁已不再是梦。
2014年，中国有着世界最长的高铁运营里程，高铁车次也首次超过铁路客运的一半。在这个航空悲剧不断的时代，我们可以设想一种更安全的交通方式。
人造金刚石硬度首次超越天然钻石
人类超越自然的努力从未停止。作为“世界工厂”的中国，在人造金刚石领域已经走在世界前列，2010年人造金刚石产量已占据世界总产量的70%以上。今年中国极硬材料合成再获突破，6月12日出版的《自然》(Nature)杂志介绍，中国科学家团队合成出硬度两倍于天然金刚石的人造金刚石块材。
金刚石在现代工业中用途广泛，是机械与电子业切割打磨、矿山和地质钻探、以及建筑建材工业必不可少的工具和材料。由于天然金刚石罕见而价值不菲(高纯度的金刚石就是钻石)，人造金刚石行业就成为制造业的最基本部门之一。1963年，中国科学家成功合成了我国第一颗人造金刚石，前后用了两年多时间，圆了国内外多少人的百年梦想，走完了工业发达国家用了10多年才走完的路程。如今，中国材料科学家燕山大学田永君教授领导的研究团队，与吉林大学马琰铭教授和美国芝加哥大学王雁宾教授合作，在高温高压下成功地合成出硬度两倍于天然金刚石的纳米孪晶结构金刚石块材。这样的超硬新材料，更是圆了世界科学界和产业界的共同梦想。
(天然钻石不再是最坚硬的材料)
中国数学家宗传明突破希尔伯特第十八问题
证明哥德巴赫猜想的陈景润，并不缺少接班人。
古希腊哲学家亚里士多德相信，如果把正四面体形状的砖彼此无缝地相接起来，就能装满整个空间，即最大密度达100%，这在16世纪被证明是错的。而北京大学数学科学学院教授宗传明花了23年，终于给出了正四面体的砖堆起来精确的最大密度。
几何体的最大堆积密度，是著名的希尔伯特第18问题，“令许多杰出数学家竞折腰”。2006年，美国普林斯顿大学与密歇根大学的两组科学家借助计算机对正四面体的堆积密度展开竞赛式研究。而材料学家也开始认识到，基本单元为正四面体的纳米材料可能具有十分特殊的物理性质，其有望在应用领域大展拳脚。宗传明几乎每天都在思考这一难题，并动手做了许多几何模型帮助思考，寻求创新思路。经历过无数次的失败，他终于完成了这项被欧美同行盛赞为辉煌的工作。
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