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人工智能技术的进步得益于人类大脑和计算技术的研究进展和发现。通过学习人类视觉神经系统，发现了卷积神经网络解决机器视觉的问题；通过学习人类大脑的奖励机制，发现了强化学习的方法，大幅提升了机器学习效率。但在能量的使用方面，机器对数据的处理和对能量的消耗是大脑的数千倍。如何实现低能耗人工智能已经成为亟待解决的重大科技问题。绿色AI领域的研究和突破将带动通用人工智能在各个应用领域的广泛发展，解决人工智能产业的高耗能问题，促进全社会的数智化转型，助力实现碳达峰、碳中和的目标。

如何实现低能耗人工智能？解决这一问题可能的两条路径为：一是算力硬件领域的进步，仿照人类神经元的组成和工作原理，突破现有计算机的架构，实现低能耗人工智能硬件；二是算法领域的进步，发现和学习人类神经元信息处理的方式，突破信息表征新范式，发现低数据处理、低计算量的人工智能训练和推理方法，实现低能耗人工智能算法。

02

距离地面100~200km的上层大气层是人们一直想利用而没有利用到的空域。这一空域大气密度极低，相比传统意义下的空气动力学，上层空气动力学流动的非平衡效应更加显著，具有强烈的多尺度特征，低密度环境导致物面的影响传播得更远，多场耦合效应更加严重，不足以支撑这一空域飞行器发展的需求。在这一空域飞行的理论和技术尚属空白，一旦取得突破，将带来颠覆性影响，制造出100～200km上层大气层飞行器，实现在这一空域的机动飞行，带动对地观测、通信等民生和国防领域的重大科技进步，填补在此空域飞行的飞行器空白。

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磁单极子以及轴子等新粒子，是目前对于超出粒子物理标准模型新物理搜寻的主要目标之一，是粒子物理领域的重大科学前沿问题。过去几十年通过众多的实验手段，国际上相继开展了多个搜寻实验，都没有发现这些新粒子的迹象。在深空环境中利用新型探测手段对这些新粒子的搜寻，将能提高对此类新粒子探测的灵敏度，填补研究空白。

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非线性效应是前沿科学和工程技术中广泛存在的非线性因素导致的复杂物理现象，在宏观尺度上各学科都开展了深入的研究。然而，随着更小尺寸的人造体系不断涌现，人们对于非线性效应的已有认识，到微米、纳米甚至更小的尺度是否仍然适用？非线性因素及其作用是否会随体系尺度变小出现新的表现形式，带来新的非线性现象？

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高性能纤维及复合材料以其卓越的性能和轻量化特点，在航空航天、风电等高端领域已大量应用，并正迅速扩散至轨道交通、汽车、压力容器和新能源等领域，成为各大国军事发展与经济竞争的焦点之一。高性能纤维及复合材料的表面界面对于制备工艺、产品性能和应用具有重要影响。我国尚未全面掌握高性能纤维及复合材料表面界面的组成-结构-工艺-性能之间深层次关联关系，相关科学机理仍不明晰。由于缺乏理论指导和系统应用验证积累，我国在高性能纤维及复合材料表面界面的基础科学研究方面滞后于应用研究，自主创新后劲不足，材料性能提升与功能化进展缓慢，阻碍了进一步应用发展。在高端领域关键材料尚不能实现国产化替代，仍存在“卡脖子”技术难题。因此，大力推动高性能纤维及复合材料表面界面的基础学科建设，对于推动我国尖端领域技术进步与可持续产业发展、实现高水平科技自立自强具有重大社会效益和经济效益。

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当今和未来很长时间内，人类活动强烈、快速且持续性地影响全球气候环境，包括大气中温室气体（如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）的浓度增加、平均气温的上升、极端天气事件的增多，以及由此带来的土壤环境和动植物物种分布等变化。

土壤和温光环境是植物生长发育及其演化适应的基础。气候变化对农业生产的影响因素主要有三个方面。（1）降雨和温度变化：气候变化可能导致降雨分布和数量的变化以及温度的升高，影响水资源的数量和分配，改变农业生产布局和种植制度，对农业生产造成威胁；（2）土壤质量变化：气候变化影响土壤水分和土壤中的生命活动过程，可能导致土壤质量下降，严重影响农作物的生长和产量；（3）农业气象灾害加剧和病虫害发生加重：气候变化导致天气极端事件频发，农业气象灾害风险和受害程度加重，改变农作物病虫害发生和传播规律，加重病虫害的发生风险和受害程度。因此，利用最新的生物和环境技术手段，解析农作物基因与环境互作的分子与遗传机制，一方面是预判未来作物适应环境变化的基础前沿科学问题，另一方面也可以用于指导适应土壤环境的未来作物育种品种设计。在该问题上取得突破，可以引领未来在全球气候环境变化背景下的资源高效利用的生物育种，产生巨大的经济和环境效益。

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现代陆地生态系统形成于白垩纪中期。它的出现也改变了地球系统能量流动和碳、磷等关键元素的循环过程，也深刻影响了地球表层系统的演化进程。了解“白垩纪陆地革命”的起因、过程和动力机制是解答现代陆地生态系统起源问题的关键。

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人类社会正面临着人口老龄化和生育力下降的严峻挑战。与年龄相关的生育率下降，如孕产妇年龄增长、高龄男性精子质量下降等，是现代生殖医学面临的全球性挑战。配子（卵母细胞和精子）、胚胎与子宫生理性衰老及病理性发育异常是导致生殖衰老后不育和出生缺陷发生的关键因素。针对生殖衰老的触发及延迟机制，有以下科研重点问题：（1）配子（卵母细胞和精子）及胚胎发育衰老过程中表观遗传变化，包括RNA修饰（m6A、ac4C、Ψ等）、组蛋白修饰（H3K4me3、H3K9me3和H3K27me3等）、DNA甲基化及蛋白翻译后修饰，结合抑制剂及激活剂筛选新型衰老延缓药物，从表观遗传角度深入解析生殖衰老触发和延迟机制；（2）衰老配子（卵母细胞和精子）及胚胎非整倍体发生机制，筛选参与调控染色体精准分离的关键因子并进行结构解析，揭示生殖衰老非整倍体率增高的病因；（3）高级DNA结构（包括G四联体、Z-DNA结构等）在生殖衰老的触发及延迟过程中的变化特征及功能机制；（4）生殖衰老过程中配子（卵母细胞和精子）及胚胎发育与线粒体稳态的关系及具体作用机制。本问题取得突破后，将为女性生殖衰老分子机制提供新认识、创建精准诊疗技术，促进女性健康生育，保障出生人口质量。

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实现聚变能商用，必须解决的首要科学问题是如何实现聚变堆堆芯等离子体的稳态燃烧。实现堆芯等离子体稳态燃烧，获得足够高的聚变功率以及氚自持所需的氚增殖比，需将等离子体温度、密度和能量约束时间提升至足够高，即聚变核心综合参数“三乘积”超过1021m-3·keV·s。在此苛刻条件下，堆芯等离子体的稳定运行将面临严峻挑战，如燃烧等离子体电流驱动、加料与排灰、等离子体与壁相互作用、阿尔法粒子物理、大尺度磁流体不稳定性和破裂控制等科学问题。突破聚变堆高参数、高性能燃烧等离子体稳定运行核心问题，将有助于提升我国在国际重大前沿科学技术的话语权，对我国未来聚变堆建设起到极大推动作用。

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列车运营速度是衡量一个国家铁路发展水平和工业科技水平的重要指标之一，为了提高影响力和竞争力，当前多个国家已计划或规划进一步提高列车运营速度。而轮轨系统耦合机理是制约轮轨制式交通运营速度、安全性、可靠性和舒适性进一步提升的关键核心问题。在更高速度条件下，轮轨瞬态滚动接触行为变得更为复杂，存在强摩擦力、多环境能量交互、高应变率载荷等复杂效应。更高速度轮轨复杂的耦合接触行为将导致系统能量场发生不可预知的变化，并在轮轨系统多环境能量场交互机制作用下，产生车辆—轨道系统的能量重构现象，影响车辆和轨道系统的能量耗散响应，若能量耗散不合理，将导致车辆和轨道系统关键部件的不可逆伤损，严重影响列车运行的安全性和系统可靠性。因此，如何探明更高速度条件下的轮轨系统耦合机理及能量场分布特征是提高列车运营速度，提升安全性、可靠性和舒适性，并降低车辆和轨道系统关键部件伤损的关键核心科学问题，是构建我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系，整体提升我国铁路行业国际竞争地位，彰显国家工业科技水平和综合国力的核心基础。