信息技术
　　
大规模硅基集成高维光量子芯片实现

　　北京大学“极端光学创新研究团队”王剑威、龚旗煌教授等与布里斯托尔大学物理系量子光学中心等单位合作，利用大规模集成硅基纳米光量子芯片技术，实现对高维度光量子纠缠体系的高精度和普适化量子调控和量子测量，研究论文发表于Science。实现功能强大的量子信息处理芯片是当前量子科技革命的关键。研究团队实现了一种新型的多路径加载高维量子态方式，即每个光子以量子叠加态的形式同时存在于多条光波导路径，从而实现了一个高达15×15的高维量子纠缠系统。通过可控地激发16个参量四波混频单光子源阵列，可以制备具有任意复系数的高维度量子纠缠态。
　

范德瓦尔斯异质结电子结构研究

　　中国科学院超导电子学卓越创新中心、上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室研究员沈大伟团队利用超高分辨角分辨光电子能谱技术，在天然形成范德瓦尔斯异质结材料体系(PbSe)1.16(TiSe2)m中观测到显著的层间电荷转移现象，进而通过结构和温度改变实现了对其以及超导等多种衍生新奇物性的有效调控。相关研究成果发表于《物理评论快报》。通过改变材料中TiSe2的厚度可高效地调控层间的电荷转移量，实现对系统中电声子相互作用的远超理论预期幅度的巨大调节；此外，发现利用范德瓦尔斯异质结不同层之间晶格热膨胀系数的差异，通过温度改变，可对异质结的层间电荷转移进行高200%幅度的调控。
　　

高效近红外吸收/发射的碳纳米点

　　中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员曲松楠课题组研制出具有高效近红外吸收/发光特性的碳纳米点，实现了基于碳纳米点的活体近红外荧光成像，并在近红外-Ⅱ区（1400nm）激发下同时实现了双光子近红外发射和三光子红光发射，研究论文发表于《先进材料》。通过对红光碳纳米点表面进行吸电子基团修饰及对碳基内核层有序结构的无序化调控，使层状碳基内核外片层与核内共轭结构分离，在近红外波段产生新的发光带隙，获得了在近红外光激发下具有高效近红外发射的碳纳米点，荧光量子效率达到10%。以该碳纳米点为荧光成像试剂，实现了小鼠胃部及血液循环过程中的活体近红外荧光成像。
　　

太赫兹应力调制器研究

　　中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心盛志高课题组与上海大学博士金钻明博士、合肥研究院固体物理研究所苏付海研究员合作，实现了基于石墨烯的太赫兹应力调制器，研究论文发表于《先进光学材料》。太赫兹（Terahertz，THz）一般是指频率介于1011～1013频段的亚毫米电磁波。由于优越的波谱性能，太赫兹相关技术在通讯、安检、传感、国家安全等领域有着广泛的应用前景，被称为“改变未来世界的十大技术之一”。研究团队构建了基于二维电子材料石墨烯的应力调制器件，通过采用自主搭建的太赫兹时域谱系统（THz-TDS），并系统研究了该器件的应力调制特性。
　　
　　
　　　　
信息技术
　　
光子横向自旋集成器件研究

　　中山大学电子信息与工程学院张彦峰、余思远研究组与英国Bristol大学研究者合作，开展关于光子角动量的研究，最新成果发表于Nature Communications。基于团队自主研发的氮化硅光波导材料，通过调整氮化硅微环涡旋光束发射器件的波导尺寸调控倏逝区的横向自旋，在发射的涡旋光束中首次直接观测到横向自旋导致的自旋—轨道角动量相互转换，实现了对发射的涡旋光场角动量态的精确调控。使用该集成器件作为接收器，实现了对自旋—轨道角动量态的选择性接收。研究发现的一个自旋—轨道耦合新途径，揭示了光子角动量复杂而丰富的内涵。其潜在应用领域可包括高分辨显微术、光谱、光操控、量子信息和光通信等。
　　

仿生机器海豚定深运动控制

　　中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室喻俊志研究团队，提出一种基于视线导航法和滑模观测器的滑模模糊（SMFC）控制算法，解决了一类鳍肢机动型机器海豚的定深控制问题，相关论文发表于IEEE Transaction on Industrial Electronics。研究分析机器海豚的定深控制机制，通过改变双侧鳍肢的偏转角来实现机器海豚的上浮/下潜，进一步简化动力学方程；采用视线导航法，将定深控制问题转化为俯仰角跟踪控制问题。考虑到机器海豚实现上浮/下潜必须有一定的前进速度提供俯仰力矩，采用了滑模观测器来实时估计线性速度，结合视线法与滑模观测器来设计复合滑模控制器获取定深过程中的驱动力和偏转力矩。
　　

激发反向空穴转移动力学行为机制

　　中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心罗毅研究团队张群研究组，在凝聚相超快光谱与动力学机理研究方面取得进展，揭示出甲醇分子（光催化研究中最常用的空穴牺牲剂之一）吸附于模型半导体材料（g-C3N4）表面所发生的光激发反向空穴转移动力学行为机制；研究论文发表于《德国应用化学》。添加空穴牺牲剂虽已成为光催化研究领域的一项常规操作。研究团队通过比照分析不同波长飞秒激光激发下的实验结果，揭示了该类体系中存在的热空穴转移效应。通过比照分析不同空穴牺牲剂分子（如甲醇、乙醇、乙二醇等）存在下的反向空穴转移速率，提出了衡量空穴牺牲能力的微观动力学定量判据。
　　

基于FPGA并行计算实现实时超声全聚焦检测

　　中国科学院声学研究所超声技术中心王冲等人研发了基于现场可编程门阵列的全并行计算架构，有效加速了超声全聚焦检测成像，实现实时成像的无损检测，可广泛应用于工业检测领域，相关论文发表于《国际声学与振动》。全聚焦检测是基于超声全数据采集的后处理成像方法，在每一个成像位置均利用完备的检测信息进行聚焦成像，检测分辨率和灵敏度显著高于常规相控阵检测技术，被称为“黄金法则”。新计算架构可并行独立合成多个TFM像素，极大地提高了成像计算效率，同时又能保证成像质量。整个TFM算法可完全在该FPGA架构内完成计算，最后只需将成像结果传输至显示软件，即可进行图像观察、分析诊断等。
　　
　　
　　
　　　　
生物科学
　　
植物氮素利用

　　天津大学表层地球系统科学研究院刘学炎教授与日本京都大学和美国海洋生物实验室等研究者合作，开展极地苔原、温带森林、热带亚热带森林植物硝酸根来源和利用机制的原位研究，论文发表于《美国科学院院报》。研究采用新颖的硝酸根氮、氧同位素地球化学方法原理，结合土壤氮状态、植物氮吸收和酶还原等指标，揭示土壤硝酸根是极地苔原植物的重要氮源。这更新了极地苔原植物氮有效性评价的认识，对更准确理解极地生态系统氮、碳动态及其随环境如何变化具有重要意义。进一步量化了低纬度地区植物对大气硝态氮的直接吸收，强调应用稳定同位素研究大气氮污染的作用。
　　

果蝇tsRNA的作用机制

　　北京大学生命科学学院陆剑课题组报道了果蝇中来源于tRNA的小RNA（tRNA-derived small RNAs, tsRNA）对靶基因的调控机制和在胁迫应答中的重要作用，论文发表于Nucleic Acids Research。研究提出了果蝇细胞中“tsRNA连环计”的胁迫应答模型。在胁迫条件下，生物体的细胞翻译水平通常会下调。在“tsRNA连环计”模型中，首先tsRNA的生成会减少细胞中tRNA的丰度从而降低细胞整体翻译水平；其次tsRNA通过序列互补特异性抑制细胞翻译系统关键组分蛋白的mRNA自身翻译，从而降低细胞的整体翻译水平。基于tsRNA的连锁反应使得细胞能够迅速高效的产生胁迫应答。
　　

丰富多样的膳食纤维使人体肠道内特定有益菌群升高

　　上海交通大学生命科学技术学院赵立平教授领导的国际合作团队在肠道菌群中发现糖尿病营养干预的新靶标，研究论文发表于《科学》。该研究提出以生态学上的“功能群（guild）”来研究肠道菌群中的成员在人体健康和疾病中的作用，说明通过增加肠道中功能活跃的重要细菌成员来恢复或增强肠道生态系统中失去或减少的重要功能，是重建健康肠道菌群的关键，能够帮助宿主改善疾病表型。该研究不仅为研究肠道菌群与慢性代谢性疾病的关系提供了可以借鉴的思路和分析方法，也说明以肠道关键菌为靶点进行个性化营养干预来调控肠道菌群是控制2型糖尿病的新的有效手段。
　　

RNA m6A调控新机制

　　复旦大学生物医学研究院刁建波、施扬、石雨江团队和芝加哥大学何川课题组合作，开展Zc3h13调控核RNA m6A甲基化修饰及小鼠胚胎干细胞自我更新的研究，论文发表于Molecular Cell。研究发现Zc3h13对m6A的调节是通过控制复合物成员WTAP/Virilizer/Hakai的细胞定位而发生作用的。抑制Zc3h13表达导致复合物成员WTAP、Virilizer及Hakai蛋白发生由细胞核向细胞质的转移，同时伴随甲基转移酶Mettl3和Mettl14蛋白核内组分的减少，从而抑制m6A的形成。在细胞中敲低WTAP、Virilizer和Hakai，Zc3h13的核内定位并不受影响，这提示了Zc3h13在该复合物的细胞定位中具有独特的作用。
　　
　　
　　
　　　　

生物科学
　　
新绘制人脑前额叶发育的单细胞图谱揭示神经元分化成熟机制

　　北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和中国科学院生物物理研究所王晓群研究组，与北医三院乔杰研究组、首都医科大学附属安贞医院张军研究组联合，利用单细胞转录组测序手段，绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱，解析了人类胚胎大脑前额叶发育的细胞类型多样性及不同细胞类型之间的发育关系，论文发表于Nature。该研究揭示了神经元产生和环路形成的分子调控机制，并对其中关键的细胞类型进行了系统的功能研究，为绘制最终完整的人脑细胞图谱奠定了重要的基础。
　　

蓝藻生物学研究进展

　　西北农林科技大学李明副教授、澳大利亚河流所肖曼博士生以及英国生态学与水文学研究中心Colin Reynolds教授合作，阐明了微囊藻群体形成机理以及形成群体对水华发生的作用，论文发表于Biological Reviews。研究提出了微囊藻群体形态变化的途径和可能的诱导因素，解决了在室内培养条件下不能诱导单细胞形成与野外形态类似的群体这个该领域全球性难题。该理论认为微囊藻单细胞在形成粗糙群体后，会逐渐转变为鱼害微囊藻、惠氏微囊藻和铜绿微囊藻群体形态，这个过程与大多数湖泊中微囊藻群体形态的季节演替相同。文章进一步概括了微囊藻形成群体的根本作用。
　　

蛭类镇痛或麻醉作用的机制研究

　　中国科学院昆明动物研究所赖仞研究员，中国科学院昆明植物研究所罗晓东研究员、广州军区广州总医院孙朝晖教授等，从森林山蛭唾液腺中分离出一个全新的神经毒多肽家族，并将其命名为HSTX，研究论文发表于《药理学界》。这个毒素家族的成员含有23至25个氨基酸残基、拥有2个分子内二硫键，并通过阻断动物体内的部分钠离子通道，发挥神经毒活性。森林山蛭为山蛭科山蛭属动物，主要栖息在潮湿的山区草地或水域附近，体长约3厘米，在印度尼西亚、缅甸、越南、印度以及我国云南等地均有分布。与水蛭相比，山蛭个体偏小，单次吸血量少，需要多次进食。
　　

组蛋白甲基化转移酶调控昆虫性别的分子机制

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所谭安江研究组和黄勇平研究组，报道了组蛋白甲基化转移酶Ash2调控家蚕性别的分子机制，论文发表于PLOS Genetics。家蚕组蛋白甲基化转移酶Ash2受到piRNA结合蛋白Siwi的特异性调控，其表达在Siwi突变体中被下调。Ash2和Siwi突变体都呈现出雌性个体雄性化的特征，揭示了Ash2和Siwi在家蚕的性别决定机制中发挥了类似的功能。而在Ash2突变体中Siwi蛋白的表达和组织定位均未受到影响，表明Ash2不是作为Siwi的上游因子发挥作用。免疫共沉淀结果证实Ash2可以直接结合Siwi蛋白，说明Ash2可以作为Siwi的co-factor参与家蚕的性别决定。
　　
　　
　　
　　　　
气候环境
　　
气候变化影响青藏高原湖泊的遥感研究

　　中国科学院东北地理与农业生态研究所地理景观遥感学科组、水环境遥感学科组，与美、英研究团队合作，利用Landsat系列卫星遥感影像对四个时期(1977、1990、2000、2014)青藏高原的湖泊进行空间制图，并整合气象资料、冰川和冻土文献数据，深入探讨区域湖泊变化及其主控因素的时空异质性，研究论文发表于Remote Sensing。与我国北方干旱区和极地地区不同，近40年间青藏高原整体上呈现气候变暖变湿、湖泊面积和数量增加的趋势，但高原内部湖泊变化具有明显的空间异质性。气候变湿和冰川融化是主导高原湖泊变化的主要因素，但部分流域湖泊受气候干旱或冻土退化影响，湖泊面积呈现萎缩趋势。
　　

氮沉降对土壤微生物多样性影响

　　中国科学院沈阳应用生态研究所生物地球化学组王超及其合作者整理了包括171个Shannon指数和102个Chao1指数在内的全球198个施氮模拟实验样点的土壤微生物多样性数据，分析了氮添加后细菌和真菌多样性的变化及与微生物生物量变化的关系，研究论文发表于Soil Biology and Biochemistry。氮增加显著降低了细菌和真菌的Shannon和Chao1指数；氮增加显著降低了酸杆菌门（Acidobacteria）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）微生物的相对多样性；氮增加情况下，土壤微生物生物量的降低与多样性的降低呈现显著正相关性；氮增加情况下，土壤养分变化是影响微生物多样性变化的主要因素，而非pH值的变化。
　　

太阳风能流调制热带气旋活动的新机制

　　中国科学院国家空间科学中心空间天气室研究员王赤研究团队，与中国科学院院士、南京信息工程大学教授王会军研究团队合作，以热带气旋活动为切入点，开展深入的学科交叉研究，着重考察太阳风能流与全球变化的影响，研究论文发表于Atmospheric and Oceanic Science Letters。全球热带气旋活动的年度累积总能量在1994年之前持续升高，随后又开始下降；与传统的气候学考察因子，如太阳黑子数、太阳总辐照、太阳10.7cm辐射、热带海平面温度以及南方涛动指数等相比，太阳风能流与全球热带气旋活动的相关性最好；剧烈地磁活动期间的热带气旋强度更大。
　　

显生宙最大冰期事件的演变过程

　　中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代团队陈吉涛研究员等通过对相关地层的锶、碳同位素综合研究，认为显生宙最大的一次冰期事件——晚古生代大冰期的开始，是由大陆风化和有机碳在陆地上的埋藏（形成煤炭）所导致，并提出大冰期的最高峰是由有机碳埋藏由大陆转向海洋导致；研究论文发表于Geology。通过将该锶同位素与同时期全球无机碳同位素以及古二氧化碳浓度等的对比研究，佐证了晚古生代大冰期的起始与加强是由大陆风化和有机碳在陆地上的埋藏（形成大量煤炭）导致的，同时提出大冰期的最高峰是在大陆风化整体下降及热带雨林植被更替的背景下，有机碳埋藏由大陆转向海洋所导致。
　　
　　
　　
　　　　
气候环境
　　
大尺度气候变暖加剧北京持续性霾频发

　　北京城市气象研究所裴琳博士与中国科学院大气物理研究所严中伟研究员等人的研究指出，20世纪80年代以来西北太平洋冬季海温显著变暖，激发的大气环流异常有助于东亚冬季风减弱，特别表现在华北一带比以往更频繁地出现异常南风天气，这是近几十年北京冬季持续霾事件趋频的大尺度气候变化背景；研究论文发表于Atmospheric Chemistry & Physics。研究解释了大尺度气候变化是如何通过局地大气环流演变促使北京持续霾天气趋频的一种具体机制。根据这一研究，大尺度气候变暖或将加剧华北重霾治理的难度。因而，联系区域污染治理和全球减排温室气体，需要从更宏观的角度来认识和把握问题。
　　

潜水埋深变化影响荒漠深根植物养分吸收

　　中国科学院新疆生态与地理研究所策勒站曾凡江团队以典型的塔克拉玛干沙漠南缘荒漠—绿洲过渡带的主要建群种骆驼刺为研究对象，通过2015年-2016年连续2年的野外试验（潜水埋深分别为2.5米、4.5米和11.0米），研究了潜水埋深对荒漠深根植物骆驼刺中的碳、氮和磷的生态化学计量学特征变化，研究论文发表于Frontiers in Plant Science。水分和养分是维持植物正常生长及影响陆地生态系统生产力的重要因子。在干旱区，水分还直接决定着绿洲的生存和发展。该研究阐明了干旱生态系统中，潜水埋深变化对荒漠深根植物中碳、氮和磷化学计量学特征的影响。
　　

全新世东亚夏季风降水变率研究

　　南京大学地理与海洋科学学院陆福志、马春梅等通过对长江下游太湖西部湖沼沉积物的高分辨率孢粉分析、加速器质谱碳十四测年，结合东亚花粉数据库和现代气候数据集，采用花粉气候模型定量重建检验了长江下游一万二千年以来的年降水和夏季降水，采用TraCE-21 ka古气候瞬变模拟评估了太阳辐射和温室气体对东亚夏季风降水的贡献，研究论文发表于Climate Dynamics。全新世大暖期夏季降水（梅雨）比现在高出30%左右。因此，未来CO2排放引起的全球变暖可能将导致长江下游降水增加。古气候模拟比较项目（PMIP）模型低估了大暖期降水的增加幅度。
　　

印度洋海温主模态对晚春青藏高原热源年际变率的调制作用

　　中国科学院大气物理研究所段安民研究员等开展海陆外强迫因子之间联系和相互作用研究，相关论文发表于Advances in Atmospheric Sciences。研究人员从月平均尺度上考察与高原热源紧密相关的海洋遥强迫信号，发现不同于2～4月的情形，随着从冬到夏西风带的北撤，孟加拉湾夏季风的爆发使得背景环流发生转向，5月高原地面热源的强度主要受到IOBM信号的影响。通过资料分析和数值模拟，其过程可简单总结为：当春季IOBM处于暖位相年份时，由于加强的局地Hadley环流，高原上空云量、辐射、降水均发生相应变化，从而使得地表感热加热显著偏强。