科学赋能未来——2019未来科学大奖获奖者侧记

王小云：设计更安全的密码算法

密码哈希（Hash）函数是大多数密码应用及系统的核心。多年来，基于哈希函数的MD5和SHA-1，被公认为国际上最先进、应用范围最广的两大重要算法。这两种算法的厉害之处在于，对于输入信息的任何一次小的篡改都会立刻引起“雪崩效应”，从而保证信息的数字指纹的唯一性和不可伪造性。早在1994年起，这两种算法就被美国政府采纳，后成为国际电子签名及其他密码系统广泛应用的关键技术，被称作“固若金汤的大厦”。多年来，无数密码学精英在其破解之路上无功而返，它们“无坚不摧”的名号也愈发响亮——在王小云横空出世之前。

2004年8月15日，美洲密码学年会（CRYPTO）开幕前夕。一位中国女科学家拿着自己在密码哈希函数领域的成果找上了时任大会主席詹姆斯·休斯（JamesHughes）教授。她就是王小云。这场毛遂自荐使那年的会场上出现了一个临时变化。原本大会日程中有一个自由交流环节——RumpSession，被选中者将有3到5分钟时间在这一环节介绍其工作进展，而王小云得到了15分钟。

在这15分钟里，王小云宣布了她和团队在MD5、HAVAL—128、MD4和RIPEMD4个著名密码哈希函数算法的破解结果。“当王（小云）教授陈述其报告的时候，在场聆听报告的人们彼此相望，几乎不相信她的惊人发现，然而在她的报告结束后，全场立刻起立给王教授报以长久而热烈的掌声，人们拥向讲台向她表示衷心地祝贺，她带去的报告材料被一抢而光……”格基约化算法LLL以及数域筛法的第一作者ArjenLenstra描述着当时的场面。有一家专为公开征集针对MD5的攻击而设立的权威网站，于2004年8月17日宣布：“中国研究人员发现了完整MD5算法的碰撞……由于这个里程碑式的发现，MD5CRK项目将在随后48小时内结束。”

王小云一战成名。“直觉上觉得并没有那么安全”，在谈到为何会选择这种被公认为牢不可破的算法攻关时，王小云说。她不喜欢轻而易举就可以完成的工作，挑战性越强越能激发起她的斗志。“密码分析科学家和黑客不同。黑客是盗取密码保护的信息以获取利益，而密码分析科学家从事的是基础理论研究，是为了评估密码算法的安全性，找到其漏洞，以设计出更安全的密码算法。”

2005年，王小云与合作者找到了一种新方法对SHA-1进行有效攻击，攻击效率为269次运算；不久，效率又被提高到261。就在王小云埋头攻破SHA-1时，美国国家标准与技术研究院（NIST）曾公开表示，虽然MD5被破解了，但SHA-1还没发现任何安全隐患。显然，NIST也没想到王小云居然这么快又动摇了SHA-1。2006年，NIST发文承认“王（小云）教授确实发现了SHA-1的实际碰撞攻击”，并宣布美国联邦机构在2010年之前停止SHA-1在数字签名、数字时间戳以及其他基于SHA-1无碰撞特性的密码应用；2007年，又在全球范围内启动了HASH函数新标准设计的“五年工程”。

就在国际上忙于新的密码算法标准时，王小云也与国内其他专家设计出了我国第一个哈希函数算法标准——SM3。2010年，SM3正式公布，经过国内外密码专家的评估，它的安全性得到了高度认可。如今，SM3已经在金融、交通、国家电网等重要领域广泛应用。最令王小云高兴的是，SM3发布之后，我国相继有30多项密码相关领域的行业标准出炉，国家网络安全体系在行业标准化问题的认识上越来越深刻了。

此次获奖前，王小云曾先后获得陈嘉庚科学奖、求是杰出科学家奖、中国青年女科学家奖、国家自然科学奖二等奖、苏步青应用数学奖等，2017年当选为中国科学院院士。

邵峰：学问外的一切都是副产品

人类与体内的细菌长期共存。有些细菌会让人患上疾病，但多数细菌都能够与人类和平共处，帮助人类消化食物，甚至抵抗其他有害病原菌。一直以来，机体的免疫系统如何区别有益和有害细菌，有效地发起免疫反应，是生物学研究的重要问题。

邵峰的研究基于焦亡模式的细胞死亡，以及宿主天然免疫的发现回答了这一问题，并且为探索病原菌感染以及相关疾病的预防和治疗提供了新的途径。

他用“平行”和“线性”类比了过去和现在的研究模式，在过去，邵峰都是针对每一个互相独立的细菌毒素平行地展开研究，课题不具备交叉和延展性。而之后他发现的天然免疫机制，涉及了许多蛋白质和信号通路，他可以顺着这些线索往下深挖下去，找到更多的新的分子和机制，解决一系列相关重要科学问题，直到扩展成一个层层叠加的新的知识体系。

在这样一个科学理想和研究思路下，邵峰首创性地找到了细胞内识别LPS的蛋白——炎症蛋白水解酶caspase-4和-5，除LPS受体之外，他还鉴定了一系列针对胞内细菌其它重要分子的新的受体蛋白；更进一步，他的研究还首次发现了这些受体蛋白最终是通过激活下游的一个被名为gasdermin-D的、具有膜穿孔活性的蛋白，从而引发细胞发生焦亡。

更令邵峰兴奋的是，他还发现gasdermin-D代表的整个gasdermin家族蛋白都具有膜穿孔和诱导细胞焦亡的功能。细胞焦亡是一种程序性细胞坏死，该过程中细胞会不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞焦亡是机体重要天然免疫反应，但过度的细胞焦亡会诱发包括败血症在内的多种炎症和免疫性疾病。过去很长时间，人们对细胞焦亡的性质和机制都不清楚，gasdermin-D膜穿孔蛋白的发现完美地诠释了什么是细胞焦亡，如何研究细胞焦亡，并且也重新定义了细胞焦亡的概念。

未来科学大奖生命科学奖委员会委员何川表示，“这项发现的意义非常重大，以前在败血症等一些疾病的临床研究中，光用细胞膜受体的研究结果不能够很好地解释疾病为什么会发生，而邵峰在细胞内的这些发现，能让许多问题得到合理的解释。”这意味着，未来有望从细胞焦亡和天然免疫系统入手，调节炎症反应，改变免疫微环境，从而寻找新的靶点来开发药物。例如，由于LPS受体过度激活，引起了细胞焦亡不正常地发生，最终可能引起败血症，而针对gasderminD过度活化就可以开发药物来治疗败血症。而邵峰团队目前正在努力积累更多有关炎症、天然免疫与细胞焦亡的新发现和知识，来丰富和巩固这一领域的知识框架和体系，为未来靶点药物研发奠定坚实的基础。

获得未来科学大奖之前，邵峰曾被授予中国细胞生物学会杰出成就奖、国际蛋白质学会鄂文·西格青年科学家奖，入选国家“万人计划”领军人才、国家创新人才推进计划等。2015年，邵峰当选中国科学院院士。至今，出生于1972年的他还是中国最年轻的院士。

得知自己获奖时，邵峰在现场连线中表现得异常平静，第一句回复也只有简单的3个字“挺好的”。邵峰表示，他的激动点其实非常高，但在撰写和投递天然免疫研究的文章时，会格外高兴。一如他在以往的采访中所表达的，“我希望更多同行明白，科学的天很高，踏实做学问就好，其他一切只是副产品”。

王贻芳、陆锦标：第三种中微子振荡

王贻芳和陆锦标的人生轨迹本来大不相同。他们相差10岁，实验高能物理学家王贻芳，1963年2月20日出生于江苏南京，曾当选为中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、发展中国家科学院院士，现任中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院大学核科学与技术学院院长；而美国华裔粒子物理学家陆锦标，1953年3月出生于中国香港，是美国国家科学院院士、美国物理学会会士，现任美国加州大学伯克利分校物理系教授、美国费米国家实验室HyperCP实验发言人。真正让他们轨迹重合的是大亚湾中微子实验。

宣布王贻芳、陆锦标获奖。

中微子是一种在核衰变与核反应中释放的一种具有及其微弱相互作用的基本粒子。本世纪初，日本与加拿大的科学家发现已知三种中微子之间的两种相互转化的现象（或振荡），标志中微子具有不为零的质量与存在超出当前粒子物理标准模型的相互作用，因而获得2015年的诺贝尔物理学奖。但是理论上存在的中微子第三种振荡却更为有趣，因为它预示着中微子振荡具有CP破坏的性质。但在21世纪的前10年，物理学家认为第三种振荡可能非常微弱，甚至不存在。尽管如此，中国、法国、韩国、美国的粒子物理实验家都提出了实验方案，开展了一场高水平的科学竞赛。

大亚湾反应堆中微子实验是一个建于中国的多国粒子物理项目，成立于2006年。王贻芳是项目首席科学家，陆锦标为美方召集人。他们组织并领导合作组开展了一系列创新，包括设计和研制全同的探测器模块来消除系统误差、发展化学上极其稳定的钆掺杂有机液态闪烁体，和高灵敏度的宇宙线甄别探测系统，使得大亚湾中微子实验具世界最高灵敏度。2012年3月，王贻芳和陆锦标代表大亚湾国际合作组宣布首次探测到中微子的第三种振荡模式，精确测量了它们由于振荡现象而引起的消失概率。就在大亚湾结果公布了25天后，韩国的RENO实验也证实了这个发现。

据介绍，大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，它通过分布在3个实验大厅的8个全同的探测器来获取数据。每个探测器为直径5米、高5米的圆柱形，装满透明的液体闪烁体，总重110吨。周围紧邻的核反应堆产生海量的电子反中微子，近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。

在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了6个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明中微子第三种振荡几率为9.2%，误差为1.7%，从而首次发现了这种新的中微子振荡模式。这种振荡模式的实验确立表明了中微子有可能破坏宇称与正反粒子联合对称性（CP）。

第三种中微子振荡的确立为未来中微子实验研究指明了方向，《科学》杂志将其评价为“中国本土迄今为止最重要的物理学成果”。新一代的国际中微子实验，包括测量三种中微子的质量顺序以及中微子CP破坏的实验计划都是根据大亚湾实验的结果进行设计的。2019未来科学大奖—物质科学奖在获奖理由中称，他们发现的第三种中微子震荡模式，为超出标准模型的新物理研究，特别是解释宇宙中物质与反物质不对称性提供了可能。

但刚开始决定在中国大亚湾核电站设置两个中微子探测器时，其实并不被看好。“那时中国发展粒子物理的时间并不长，在世界上也不知名，人们对中国的了解不多，只知道北京的正负电子对撞机。”陆锦标说。但他和王贻芳都认为高功率的中国大亚湾核电站作为反电子中微子源并配合周边的山脉作为地下实验室的屏蔽是世界上最佳的实验场所。为此，在李政道等物理学家的大力协助下，陆锦标在中美两国之间不断沟通，终于使两国达成了共识。获奖后，陆锦标觉得自己就像是牛顿所说的那个在海滩上的小男孩，捡到了真理之海中一个小小的贝壳，但他并不认为这只是幸运，而是“在正确的时间站在了正确的地方”。

王贻芳感受更深刻的则是中国高能物理人才的培养。他表示，最近十几年来，队伍发展是比较迅速的，首先是国外回来了一批人，其次是自己培养了一批人，特别是大亚湾这个项目的骨干，绝大多数是他培养的。“这些人做的工作是世界顶尖的，我们从合作组内部的比较就可看出来，这些人成长的环境就是国际合作的环境，跟他们出国留学没有什么差别。同时，他们做的项目是最好的项目。”王贻芳丝毫不掩饰对于中国高能物理人才的自信。“与他们同台竞争的是美国最好的大学，他们一点都不差，这个队伍成长得非常迅速，而且非常优秀。也正是有了这样一个队伍，我们才敢再做像江门中微子实验这样一个无论是技术还是科学都是世界领先的项目”。尽管如此，王贻芳仍然感觉人才远远不够用，获奖后接受采访时，他甚至难得幽默了一把：“你们得给我宣传一下，说我缺学生，赶紧来报名。”