2023年科技發(fā)展在世界范圍內(nèi)取得了長足的進(jìn)展，本文系統(tǒng)梳理了全球范圍內(nèi)科技成果100項(xiàng)，涵蓋“生命、生物、醫(yī)藥健康”、“深空、深海、新空間拓展”、“物質(zhì)、材料、化學(xué)”、“智能、信息、通信”以及“生態(tài)能源、交通與建設(shè)工程”等五個(gè)方面內(nèi)容。表明在新科技革命與產(chǎn)業(yè)變革背景下，諸多領(lǐng)域正在孕育和產(chǎn)生群體性突破，也必將來帶顛覆性影響，為新質(zhì)生產(chǎn)力注入強(qiáng)大的動(dòng)能。

01

生命、生物、醫(yī)藥健康

一

基因、細(xì)胞、胚胎

1、人類泛基因組首張草圖發(fā)布

人類泛基因組參考聯(lián)盟發(fā)布了首張人類泛基因組參考草圖，以及兩個(gè)以這一參考圖為基礎(chǔ)的新遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)。“泛基因組”草圖是包括非洲、亞洲、美洲和歐洲的全球多地47人的脫氧核糖核酸（DNA）合集，地域和種族構(gòu)成更多元化。與使用原始的線性參考基因組相比，“泛基因組”能夠識(shí)別出更多的基因結(jié)構(gòu)變異。該研究成果入選兩院院士評選的“2023年世界十大科技進(jìn)展新聞”。

2、人類Y染色體組裝與分析完成

《自然》雜志8月發(fā)表的兩篇論文公布了人類Y染色體的組裝和分析。這項(xiàng)全球100多名科學(xué)家參與的研究，報(bào)道了完整的人類Y染色體的62460029個(gè)堿基對序列。這次的組裝糾正了當(dāng)前人類參考基因組組裝中關(guān)于Y染色體的多個(gè)錯(cuò)誤，同時(shí)還向參考基因組中添加了逾3000萬個(gè)堿基對，揭示了多個(gè)基因家族的完整結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)了41個(gè)新的蛋白質(zhì)編碼基因。填補(bǔ)了當(dāng)前Y染色體參考的諸多空白，帶來了對不同人群演化和變異的見解。

圖｜Y染色體是人類24條染色體中最后一個(gè)完成測序的

圖片來源：美國國家人類基因組研究所(NHGRI)

3、 繪制迄今最全人腦細(xì)胞圖譜

刊發(fā)在美國《科學(xué)》《科學(xué)進(jìn)展》和《科學(xué)-轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上的21篇論文公布并闡釋了迄今最全的人類大腦細(xì)胞圖譜。多國科學(xué)家參與的這一系列研究揭示了3000多種腦細(xì)胞類型的特征，將有助于深入理解人類大腦的獨(dú)特之處并推進(jìn)腦部疾病和認(rèn)知能力等研究。它代表了科學(xué)界在解開大腦奧秘方面的重大突破，為未來的神經(jīng)科學(xué)研究開辟了新方向。這一成果入選兩院院士評選的“2023年世界十大科技進(jìn)展新聞”。

圖｜迄今最全人腦細(xì)胞圖譜相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)》上

4、 全球首張昆蟲大腦“地圖”繪制完成

多國科學(xué)家首次完整地對“果蠅幼蟲”的大腦連接組進(jìn)行重建，繪制出第一張完整的昆蟲大腦圖譜。該研究使用高分辨率電子顯微鏡掃描了果蠅幼蟲的數(shù)千張大腦切片，在計(jì)算機(jī)分析的輔助下，最終生成的圖譜包含3016個(gè)神經(jīng)元和54.8萬個(gè)突觸。這是有史以來第一張昆蟲大腦“地圖”，也是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)里程碑式成就。該研究成果入選兩院院士評選的“2023年世界十大科技進(jìn)展新聞”。

5、 破解記憶形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

短期記憶形成于海馬體，而穩(wěn)定的長期記憶則是儲(chǔ)存在大腦皮層中。但記憶從海馬體向大腦皮層轉(zhuǎn)移的中間過程，卻是個(gè)長期未解的難題。美國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一項(xiàng)全新的單細(xì)胞分辨率多區(qū)域成像技術(shù)，能夠連續(xù)數(shù)周觀測海馬體與皮層中間區(qū)域神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)了對該區(qū)域神經(jīng)元活動(dòng)的連續(xù)追蹤。由此，這項(xiàng)研究首次解析出長期記憶轉(zhuǎn)移的中間過程，發(fā)現(xiàn)此前往往被忽略的前端丘腦是處理、鞏固記憶的關(guān)鍵中轉(zhuǎn)站。

圖｜《細(xì)胞》封面展示了記憶儲(chǔ)存的過程

繪圖：Julia Kuhl；來源：Cell官網(wǎng)

6、 發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機(jī)制

中國科學(xué)家合作研究發(fā)現(xiàn)了大腦“有形”生物鐘的存在。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)大腦生物鐘中樞SCN神經(jīng)元長有“天線”樣的初級纖毛，每24小時(shí)伸縮一次，如同生物鐘的指針，通過它可實(shí)現(xiàn)對機(jī)體生物鐘的調(diào)控。初級纖毛可能通過調(diào)控SCN區(qū)神經(jīng)元的“同頻共振”調(diào)節(jié)節(jié)律，其機(jī)制與Shh信號通路密切相關(guān)。該“有形”生物鐘的發(fā)現(xiàn)，對于理解生物鐘的構(gòu)造以及分子層面與細(xì)胞層面生物鐘的聯(lián)系具有重要意義，為節(jié)律調(diào)控新藥研發(fā)開辟了新的路徑。這一成果入選2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

圖｜大腦“有形”生物鐘

來源：生物世界

7、 雄性小鼠產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞

在2023年的一篇《自然》論文中，日本研究團(tuán)隊(duì)利用干細(xì)胞和染色體工程技術(shù)設(shè)計(jì)了一種細(xì)胞“性轉(zhuǎn)”策略，引導(dǎo)雄性小鼠的干細(xì)胞轉(zhuǎn)換性別并形成可受精的卵細(xì)胞。部分卵細(xì)胞成功受精，最終誕生出健康可育的后代。這項(xiàng)進(jìn)展標(biāo)志著生殖生物學(xué)的一個(gè)里程碑，是一項(xiàng)能啟發(fā)或推動(dòng)未來生育力的研究。

8、用干細(xì)胞人工合成人類胚胎

來自英國、美國的多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在“人工合成的人類胚胎模型”上取得了突破性進(jìn)展。采用不同的策略方法，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了在無需精子和卵子的情況下，完全利用人類干細(xì)胞，在體外制造出與人類胚胎十分類似的組織結(jié)構(gòu)。這類“人工合成胚胎”可模擬人類胚胎最初兩三周的發(fā)育過程與關(guān)鍵特征，為闡明早期人類發(fā)育帶來前所未有的機(jī)會(huì)，有助于更好地理解出生缺陷的致病機(jī)理并找到避免缺陷的策略。

圖｜來自其中一項(xiàng)研究的人工胚胎模型展現(xiàn)出類似于植入后人類胚胎外胚層的結(jié)構(gòu)

來源：劍橋大學(xué)

9、揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)衰老的機(jī)制

中國研究團(tuán)隊(duì)通過搭建生理性和病理性衰老研究體系，結(jié)合高通量、高靈敏性和多維度的多學(xué)科交叉技術(shù)，揭示在衰老過程中，表觀遺傳“封印”的松動(dòng)將導(dǎo)致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，并進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)衰老的“程序化”和“傳染性”。這項(xiàng)工作提出了古病毒的“復(fù)活”驅(qū)動(dòng)衰老及相關(guān)疾病的新理論，為理解衰老的內(nèi)在機(jī)制和發(fā)展衰老干預(yù)策略提供了新依據(jù)，為科學(xué)評估和預(yù)警衰老、防治衰老相關(guān)疾病以及積極應(yīng)對人口老齡化提供新思路，這一成果入選2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

10、揭示人類細(xì)胞DNA復(fù)制起始新機(jī)制

中國研究團(tuán)隊(duì)解析了人源細(xì)胞系中純化得到了MCM-DH結(jié)合DNA的復(fù)合物，并使用冷凍電鏡技術(shù)以2.59埃的高精度解析出了這一復(fù)制前復(fù)合物（pre-RC）的結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)信息，MCM-DH復(fù)合物直接降低了DNA雙鏈的穩(wěn)定性，并將位于兩個(gè)六聚體結(jié)合處的雙鏈DNA解旋，形成一個(gè)初始開口（IOS）。而干擾或破壞IOS，所有MCM2-7無法穩(wěn)定結(jié)合在DNA上，導(dǎo)致DNA復(fù)制啟動(dòng)被抑制。這一發(fā)現(xiàn)對癌癥治療有重要的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)榘┌Y細(xì)胞在生長過程中必須進(jìn)行DNA復(fù)制。在不影響正常細(xì)胞運(yùn)作的情況下，通過阻止癌細(xì)胞在DNA上組裝MCM雙六聚體，將會(huì)是一種全新的、有效的、高度特意針對癌癥細(xì)胞的抗癌療法，為抗癌藥物的研發(fā)開辟了新的道路。這一成果入選2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

11、新方法實(shí)現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準(zhǔn)操縱

中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了基因組編輯在方法建立、技術(shù)研發(fā)和工具應(yīng)用的多層次創(chuàng)新。研究團(tuán)隊(duì)首次運(yùn)用人工智能輔助的結(jié)構(gòu)預(yù)測建立了蛋白聚類新方法，率先將基于結(jié)構(gòu)分類的理念引入工具酶挖掘領(lǐng)域，并基于此開發(fā)了系列具有重要應(yīng)用價(jià)值的新型堿基編輯器和我國完全擁有自主產(chǎn)權(quán)的、首個(gè)在細(xì)胞核和細(xì)胞器中均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)堿基編輯的新型工具CyDENT。此外，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了首個(gè)植物大片段DNA精準(zhǔn)定點(diǎn)插入技術(shù)，為高效作物育種和植物合成生物學(xué)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)還利用基因組編輯實(shí)現(xiàn)了作物性狀的精準(zhǔn)調(diào)控。該成果有望進(jìn)一步拓寬基因組編輯的育種應(yīng)用，助力作物種質(zhì)創(chuàng)新，這一成果入選2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

12、科學(xué)家闡明嗅覺感知分子機(jī)制

中國科學(xué)家應(yīng)用冷凍電鏡技術(shù)解析了TAAR家族成員之一的小鼠TAAR9（mTAAR9）受體在4種不同配體結(jié)合條件下與Gs/Golf（嗅覺特異性Gα）蛋白三聚體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步結(jié)合藥理學(xué)分析揭示了mTAAR9感知配體后被激活的分子機(jī)制。該研究闡釋了II類特異嗅覺受體感知?dú)馕兜姆肿訖C(jī)制，為嗅覺受體家族識(shí)別配體奠定了理論基礎(chǔ)，對開發(fā)靶向嗅覺受體的新藥也有重要意義。相關(guān)研究成果5月24日發(fā)表于《自然》。

13、揭示光感知調(diào)控血糖代謝的神經(jīng)機(jī)制

中國科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光暴露顯著降低小鼠的血糖代謝能力。利用基因工程手段，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光降低血糖代謝由ipRGC感光獨(dú)立介導(dǎo)，光信號經(jīng)由視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGC），至下丘腦視上核、室旁核，進(jìn)而到達(dá)腦干孤束核和中縫蒼白核，最后通過交感神經(jīng)連接到外周棕色脂肪組織，并最終確定了光降低血糖代謝的原因，是光經(jīng)由這條通路抑制棕色脂肪組織消耗血糖的產(chǎn)熱。進(jìn)一步研究表明，光同樣可利用該機(jī)制降低人體的血糖代謝能力。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了全新的“眼-腦-外周棕色脂肪”通路，回答了長久以來未知的光調(diào)節(jié)血糖代謝的生物學(xué)機(jī)理，拓展了光感受調(diào)控生命過程的新功能，為防治光污染導(dǎo)致的糖代謝紊亂提供了理論依據(jù)與潛在的干預(yù)策略。這一成果入選2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

14、人體免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜繪制

中國科研人員成功繪制了覆蓋組織范圍最廣、時(shí)間跨度最長、采樣密度最高的人體免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜，有望推動(dòng)全球免疫學(xué)和發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，成果已在線發(fā)表于《細(xì)胞》?？蒲腥藛T利用自動(dòng)化、高通量的合成生物研究大科學(xué)裝置，自主搭建單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序平臺(tái)，對發(fā)育中的免疫細(xì)胞開展“解碼”，并以這樣的海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)繪制人體免疫系統(tǒng)發(fā)育圖譜。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)了免疫細(xì)胞的兩個(gè)新類型：廣泛存在于多個(gè)組織臟器、促進(jìn)血管生成的巨噬細(xì)胞，以及存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外的類小膠質(zhì)細(xì)胞。這一成果入選兩院院士評選的“2023年中國十大科技進(jìn)展新聞”。

圖｜構(gòu)建人類免疫系統(tǒng)發(fā)育時(shí)空圖譜

圖片來源：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

15、腸道微生物可能會(huì)影響人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)機(jī)

研究人員發(fā)現(xiàn)，腸道微生物會(huì)影響小鼠的運(yùn)動(dòng)水平。消耗腸道微生物組阻止了運(yùn)動(dòng)后小鼠大腦中多巴胺的增加，還導(dǎo)致老鼠運(yùn)動(dòng)量減少，更容易筋疲力盡。這項(xiàng)研究揭示了腸道微生物如何提高大腦中的多巴胺水平。如果在人類身上得到證實(shí)，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于提升人們的鍛煉動(dòng)機(jī)。

16、從頭合成生產(chǎn)出世界上最長的寡核苷酸

美國生物科技公司宣布成功從頭合成出世界上最長的DNA寡核苷酸，該序列長達(dá)1005個(gè)堿基，編碼了可用于基因治療的AAV載體的一部分。Ansa采用酶法DNA合成技術(shù)，技術(shù)由與單個(gè)脫氧核糖核苷三磷酸（dNTP）分子連接的獨(dú)立于模板的末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶（TdT）實(shí)現(xiàn)。TdT-dNTP偶聯(lián)物允許快速可控地將單核苷酸添加到延伸的DNA分子中。這種方法克服了基于亞磷酰胺的DNA合成技術(shù)在長度和準(zhǔn)確性方面的限制。

17、作物主效耐堿基因及其作用機(jī)制首次揭示

中國科學(xué)家以耐鹽堿作物高粱為材料，首次發(fā)現(xiàn)主效耐堿基因AT1及其作用機(jī)制。大田實(shí)驗(yàn)證明，該基因可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和谷子等作物在鹽堿地的產(chǎn)量，有望大幅提升鹽堿地綜合利用水平。相關(guān)成果3月24日在《科學(xué)》和《國家科學(xué)評論》發(fā)表。研究團(tuán)隊(duì)對高粱遺傳資源進(jìn)行了全基因組大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)主效耐堿基因AT1。該基因與水稻的粒形調(diào)控基因GS3同源，研究團(tuán)隊(duì)還揭示了作物耐鹽堿的分子機(jī)制。這一成果入選兩院院士評選的“2023年中國十大科技進(jìn)展新聞”、2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

圖｜吉林白城，種上AT1/GS3改良過水稻的實(shí)驗(yàn)田

來源：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所

二

惡性疾病的預(yù)防與治療

18、抗體療法在減緩阿爾茨海默病方面取得進(jìn)展

美國監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了一種藥物，該藥物通過解決疾病的潛在生物學(xué)問題，明顯減緩了阿爾茨海默病患者認(rèn)知能力的下降。在一項(xiàng)新的為期18個(gè)月的關(guān)鍵試驗(yàn)中，與安慰劑組相比，名為lecanemab的抗淀粉樣單克隆抗體，將認(rèn)知能力的喪失減緩了27%。另一種同樣針對腦淀粉樣蛋白的抗體治療藥物多奈單抗，在略有不同的患者群體中，與安慰劑組相比，將認(rèn)知能力下降的速度減緩了35%。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜新的抗體療法可能會(huì)減緩阿爾茨海默病患者大腦的神經(jīng)退行性病變

來源：JAMES CAVALLINI/SCIENCE SOURCE

19、血液檢測用于阿爾茨海默癥的早期診斷

阿爾茨海默病的一種早期表現(xiàn)是名為β淀粉樣蛋白（aβ）的有毒聚集體的形成，這種聚集體可以在癥狀出現(xiàn)和其他已知疾病標(biāo)志物形成前的十多年就開始形成。美國科學(xué)家開發(fā)了一種檢測患者血液中有毒Aβ寡聚體的方法，可以在阿爾茨海默氏癥癥狀出現(xiàn)之前檢測出有毒的aβ聚集體。這一發(fā)現(xiàn)或許有助于阿爾茨海默癥和其他神經(jīng)退行性疾病的早期診斷，被認(rèn)為是早期診斷阿爾茨海默氏癥和其他癡呆癥的幾種有前景的方法之一。

20、抗擊瘧疾的新希望

經(jīng)過大規(guī)模的評估，全球第一種抗瘧疾疫苗Mosquirix確能顯著降低幼兒的死亡率?，F(xiàn)在，隨著世界衛(wèi)生組織的批準(zhǔn)，名為R21（或MatrixM）的第二種疫苗也加入了抗擊瘧疾的行列。它的設(shè)計(jì)與Mosquirix類似，但生產(chǎn)成本更低、產(chǎn)量更大。它有助于填補(bǔ)瘧疾疫苗供需之間的巨大缺口，每年能防止數(shù)萬名兒童的死亡。世衛(wèi)組織表示R21有望在2024年為人們提供廣泛接種。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜肯尼亞基里菲縣醫(yī)院的產(chǎn)婦兒科病房住有許多患瘧疾的兒童。研究人員在該城市進(jìn)行了R21疫苗的臨床試驗(yàn)

來源：Luis Tato/eyevine/Redux

21、CAR-T療法成功治愈自身免疫病

CAR-T細(xì)胞療法已經(jīng)成為治療血液癌癥的革命性療法，現(xiàn)在，這類療法又向自身免疫病發(fā)起了挑戰(zhàn)?？购铣擅缚贵w綜合征（ASS）是一類嚴(yán)重的肌炎，這種由免疫系統(tǒng)故障引發(fā)的疾病可激發(fā)肺間質(zhì)病變，因此病情進(jìn)展迅速、死亡率高。在《柳葉刀》雜志的論文中，德國研究團(tuán)隊(duì)利用CAR-T細(xì)胞療法成功治愈一名ASS患者。停用免疫抑制藥后，患者的癥狀依然在持續(xù)好轉(zhuǎn)。這也是該團(tuán)隊(duì)在治愈系統(tǒng)性紅斑狼瘡后，利用CAR-T細(xì)胞療法治愈的第二種自身免疫病。

圖｜CAR-T細(xì)胞療法

來源：藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)

22、全球首款CRISPR基因編輯療法獲批上市

一款基于CRISPR基因編輯技術(shù)的疾病療法，獲得了英國藥品與保健品管理局（MHRA）的有條件上市許可，成為全世界首款獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)上市的CRISPR基因編輯療法。這款商品名為Casgevy的療法獲批用于治療輸血依賴型β-地中海貧血以及鐮刀狀細(xì)胞貧血病這兩種遺傳性血液疾病。在長期隨訪中，接受治療的患者相關(guān)疾病癥狀消失，并且不再接受輸血需求，基因編輯治療讓他們重獲新生。這把“基因剪刀”已經(jīng)成為人類對抗疾病的有力武器。

圖｜CRISPR基因編輯

來源：藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)

23、mRNA疫苗成功應(yīng)用于胰腺癌

美國研究人員成功開發(fā)了個(gè)性化的mRNA癌癥治療疫苗，能夠幫助免疫細(xì)胞識(shí)別患者胰腺癌細(xì)胞上的特異性新抗原。在這項(xiàng)研究中，研究人員對成功切除胰腺腫瘤的18名患者進(jìn)行了深入的分析，讓每位患者接受了針對其特定蛋白質(zhì)的個(gè)性化疫苗。這些疫苗在半數(shù)參與者中引發(fā)了強(qiáng)烈的抗腫瘤免疫反應(yīng)。一年多后，這些患者的癌癥仍然沒有復(fù)發(fā)。

24、GLP-1受體激動(dòng)劑引領(lǐng)新型減肥藥開發(fā)

GLP-1受體激動(dòng)劑早已獲批用于2型糖尿病的治療，而近年來，GLP-1相關(guān)藥物與肥胖癥的關(guān)系開始受到關(guān)注。以司美格魯肽、Zepbound為代表的GLP-1藥物相繼獲美國FDA批準(zhǔn)用于肥胖癥治療；一款名為retatrutide的三靶點(diǎn)藥物更是在2023年的臨床試驗(yàn)中取得11個(gè)月平均減重24.2%的成績。這些創(chuàng)新性減肥療法有望帶來更多的治療選擇和更好的治療效果。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜GLP-1激動(dòng)劑當(dāng)選《科學(xué)》期刊的2023年度科學(xué)突破

繪圖：Stephan Schmitz；圖片來源：Science官網(wǎng)

25、致幻劑能夠幫助創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和抑郁癥的治療

來自美國研究人員根據(jù)非洲傳統(tǒng)迷幻植物藥物伊博格堿（ibogaine）的藥理學(xué)原理，開發(fā)出兩種可能用于治療成癮和抑郁癥的新候選藥物。在非常低的劑量下，這兩種新的化合物能夠減輕小鼠這兩種疾病的癥狀。相關(guān)研究結(jié)果于發(fā)表在Cell期刊上?？蒲腥藛T從伊博格堿對5-羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（SERT）的影響中得到啟發(fā)，SERT也是氟西?。╢luoxetine, 商品名為Prozac）等SSRI抗抑郁藥的作用靶標(biāo)。研究人員虛擬地篩選了2億種分子結(jié)構(gòu)，以找到與伊博格堿相同方式阻斷SERT的分子。一輪計(jì)算對接將這種虛擬分子文庫從2億種分子縮減到只有49種，其中36種可以被合成。經(jīng)過對這些分子進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其中的13種分子對SERT有抑制作用。

圖｜新型 SERT 抑制劑比伊博加因更有效，更具有構(gòu)象和靶點(diǎn)選擇性

圖片來源：Cell官網(wǎng)

26、腦-脊髓接口讓癱瘓者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力

瑞士科學(xué)家開發(fā)了一種腦-脊髓接口（BSI），通過解析大腦發(fā)出的信號并刺激參與行走的脊髓區(qū)域，幫助因脊髓損傷而四肢癱瘓的患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力。一名已經(jīng)癱瘓12年的患者在植入該設(shè)備后，成功地通過自己的意識(shí)奪回了對雙腿主要關(guān)節(jié)的控制權(quán)。經(jīng)過康復(fù)訓(xùn)練，這名患者已經(jīng)重新能夠自然站立和行走，甚至爬樓梯、跨越障礙。研究還發(fā)現(xiàn)，該裝置還能促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

圖｜借助這套裝置，患者可以在拐杖的幫助下自然行走

圖片來源：洛桑大學(xué)附屬醫(yī)院/Gilles Weber

三

器官移植與健康生活

27、異種器官移植里程碑

美國研究團(tuán)隊(duì)成功地將經(jīng)過基因編輯的豬腎臟移植到人體后，腎臟可以持續(xù)運(yùn)作一周，并且提供機(jī)體運(yùn)轉(zhuǎn)所需腎功能。研究人員發(fā)布了階段性進(jìn)展：將基因編輯的豬腎臟移植到一位腦死亡者體內(nèi)后，腎臟存活并發(fā)揮功能長達(dá)32天，這也是豬腎臟首次在人體正常工作超過一個(gè)月。在近期的《自然》論文中，接受人源化豬腎的食蟹猴在移植后存活了超過2年，驗(yàn)證了長期存活的潛力。

圖｜|研究團(tuán)隊(duì)正在去除豬腎臟多余的組織，準(zhǔn)備用于人體移植

圖片來源：Joe Carrotta for NYU Langone Health）

28、用于復(fù)雜身體部位的3D工程皮膚移植

美國研究人員成功培育出人手形狀的新皮膚，而且比標(biāo)準(zhǔn)的工程皮膚移植物更加結(jié)實(shí)。與標(biāo)準(zhǔn)、平面培養(yǎng)移植相比，3D皮膚更耐運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力，同時(shí)具備更高水平的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，支持蛋白質(zhì)在成熟的皮膚中發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)新技術(shù)使自定義的3D移植物在盡可能少的縫合下得以被完整移植，有可能幫助治愈燒傷和其他復(fù)雜身體部位的損傷，減少創(chuàng)傷和疤痕。

29、活體組織中“長出”電極

瑞典研究人員通過注入以酶作為“組裝分子”的凝膠，再利用人體分子作為觸發(fā)器，首次成功地在活體組織中培育出電極。研究人員通過將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中，驗(yàn)證了這一過程。凝膠在兩種生物體中聚合并在組織內(nèi)“生長”出了電極。2023年2月發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)成果，為在生物體中形成完全集成的電子電路鋪平了道路，提供了通過神經(jīng)系統(tǒng)電信號或調(diào)節(jié)神經(jīng)回路就能治療疾病的途徑。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

圖｜活體組織中培育電極在微制造電路上測試的可注射凝膠

圖片來源：托爾·巴克希德/《科學(xué)》

30、人類眼球首次移植成功

美國研究人員成功完成了世界上首次眼球移植手術(shù)。手術(shù)過程中，外科團(tuán)隊(duì)從眼球供者的骨髓中提取成體干細(xì)胞，將其注射到受者的視神經(jīng)中，以期能取代受損的細(xì)胞并保護(hù)視神經(jīng)。在手術(shù)后的6個(gè)月里，移植的眼球顯示出明顯的健康跡象，血管功能良好。盡管這只移植的眼球尚未恢復(fù)視力，但這一突破性成果將有助于相關(guān)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。目前該團(tuán)隊(duì)正在跟進(jìn)監(jiān)測，并期待找到這只眼球恢復(fù)視力的所有可能。這一成果入選兩院院士評選的“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

31、可穿戴式薄膜熱電制冷器幫助截肢者感知溫度

美國研究人員開發(fā)了世界上最小、強(qiáng)度最大、速度最快的制冷設(shè)備——可穿戴式薄膜熱電制冷器（TFTEC）。他們與神經(jīng)科學(xué)家合作，幫助截肢者通過他們的幻肢感知溫度。TFTEC只有約1毫米的厚度，重量只有0.05克，類似于一條膠帶，可在不到1秒的時(shí)間內(nèi)提供高強(qiáng)度冷卻。它的能源效率比當(dāng)今最常見的熱電設(shè)備高出兩倍，用于制造發(fā)光二極管的半導(dǎo)體工具也可輕松制造這種設(shè)備。這為各種應(yīng)用提供了新的可能，例如改進(jìn)假肢、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的觸覺模式以及用于疼痛管理的熱療法。其還具有各種潛在的工業(yè)應(yīng)用，如用于衛(wèi)星上的能量收集等。該項(xiàng)成果發(fā)表在《自然-生物醫(yī)學(xué)工程》雜志上。

圖丨一名假肢測試員使用新設(shè)備來確定哪一罐可樂最冷

圖片來源：約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室

32、首個(gè)按需服用的男性避孕藥

美國科學(xué)家開發(fā)了一種名為TDI-11861的化合物，這種化合物能有效抑制男性體內(nèi)的可溶性腺苷酸環(huán)化酶（SAC）去觸發(fā)精子運(yùn)動(dòng)，使小鼠和人類精子暫時(shí)喪失功能，相關(guān)研究發(fā)表在《自然-通訊》期刊上。SAC抑制劑使用后可有效避免受孕，且經(jīng)過治療后24小時(shí)，男性生育能力能恢復(fù)正常。它可以被開發(fā)成一種安全、有效、暫時(shí)的男性避孕藥。

圖丨具有更長停留時(shí)間的一種有效的sAC抑制劑

圖片來源：Nature官網(wǎng)

四

考古與遠(yuǎn)古生命生態(tài)

33、接近美洲遠(yuǎn)古人類定居的歷史真相

此前人們認(rèn)為，最早的美洲移民是通過曾經(jīng)連接白令海峽的陸地從亞洲遷徙而來，大約在16,000年前沿著太平洋海岸向南行進(jìn)。但在2023年，研究人員驗(yàn)證了另一個(gè)引人注目的結(jié)論，將這一時(shí)間提前了至少5,000年。美國研究人員使用了來自陸生植物的花粉和嵌入在足跡之間以及下方的沉積物中的石英顆粒重新確定了足跡的年代。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜在美國新墨西哥州一座古老湖泊沿岸留下的足跡，或許證明人類抵達(dá)美洲的時(shí)間比考古學(xué)家所認(rèn)為的早5,000年

來源：NATIONAL PARK SERVICE

02

深空、深海、新空間拓展

34、巨型黑洞合并產(chǎn)生的星際信號在無聲轟鳴

2023年，天體物理學(xué)家捕捉到了人們長期尋找的一種微弱的宇宙轟鳴聲。它事實(shí)上是宇宙中兩個(gè)超大質(zhì)量的黑洞相互環(huán)繞、緊密摩擦所產(chǎn)生的引力波，數(shù)目可能多達(dá)幾百萬個(gè)。這一觀測是迄今為止對這些龐大黑洞雙星系統(tǒng)存在的最有力支持，其也體現(xiàn)了利用來自遙遠(yuǎn)恒星的信號來探測引力波是一種強(qiáng)有力的觀測手段。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜一對超大質(zhì)量黑洞（左上）發(fā)射出引力波，在時(shí)空結(jié)構(gòu)中蕩漾（藝術(shù)想象圖）

圖片來源：北美納赫茲引力波天文臺(tái)

35、早期星系改變宇宙的確鑿證據(jù)

國際合作團(tuán)隊(duì)使用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）找到了證明早期星系引發(fā)早期宇宙再電離的有力證據(jù)。再電離發(fā)生在大爆炸之后大約10億年，主要是指氫氣的離子化。研究人員使用JWST的近紅外照相機(jī)查看了古老類星體發(fā)出的光。這些光此前穿過了早期宇宙離子化的氣泡。研究人員發(fā)現(xiàn)，星系位置與氣泡之間存在關(guān)聯(lián)，這意味著這些早期星系發(fā)出的光確實(shí)是再電離的成因。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

圖｜非常明亮的活躍超大質(zhì)量黑洞，就像一個(gè)巨大的手電筒，有六個(gè)突出的衍射尖峰

圖片來源：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang （STScI）

36、衛(wèi)星首次成功向地球傳送太陽能

美國科學(xué)家宣布，1月發(fā)射的一顆衛(wèi)星已將微波束的能量導(dǎo)向太空中的目標(biāo)，甚至還將一部分能量發(fā)送到地球的探測器上。微波發(fā)射器是一個(gè)由32個(gè)平面天線組成的陣列，通過改變發(fā)送到不同天線的信號的時(shí)間，研究人員可以控制陣列的波束。作為一種清潔、可再生的能源技術(shù)，天基太陽能利用技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)零碳排放的可靠途徑。這一成果入選兩院院士評選的“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

37、“中國天眼”發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波存在關(guān)鍵證據(jù)

利用被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，中國研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)。這是納赫茲引力波搜尋的一個(gè)重要突破，表明我國納赫茲引力波研究與國際同步達(dá)到領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果發(fā)表于《天文與天體物理研究》。這一重大科學(xué)突破對星系演化和超大質(zhì)量黑洞研究具有深遠(yuǎn)影響，也為引力波天體物理學(xué)打開了全新的窗口。這一成果入選兩院院士評選的“2023年中國十大科技進(jìn)展新聞”。

圖｜“中國天眼”全景

來源：新華社

38、全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭

7月12日，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，朱雀二號遙二運(yùn)載火箭騰空而起。這是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，也是國內(nèi)民商航天首款基于自主研制的液體發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)成功入軌的運(yùn)載火箭，填補(bǔ)了國內(nèi)液氧甲烷火箭的技術(shù)空白，意味著我國首款大推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)通過飛行驗(yàn)證，標(biāo)志著我國運(yùn)載火箭在新型低成本液體推進(jìn)劑應(yīng)用方面取得突破。

圖｜朱雀二號遙二運(yùn)載火箭發(fā)射成功

來源：汪江波攝（新華社發(fā)）

39、全球光學(xué)時(shí)域巡天能力最強(qiáng)設(shè)備正式投入觀測

2000多年前，墨子最早記錄并解釋了小孔成像現(xiàn)象。如今，以“墨子”命名的大視場巡天望遠(yuǎn)鏡，讓人們可以仰望同一片天空。目前全球光學(xué)時(shí)域巡天能力最強(qiáng)的墨子巡天望遠(yuǎn)鏡在青海冷湖天文觀測基地正式投入觀測，每3個(gè)晚上能巡測整個(gè)北天球一次。利用墨子巡天望遠(yuǎn)鏡，能夠開展高能時(shí)域巡天觀測和近地小天體監(jiān)測預(yù)警。

圖｜墨子巡天望遠(yuǎn)鏡

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

40、世界最深、最大的極深地下實(shí)驗(yàn)室投入科學(xué)運(yùn)行

位于四川涼山錦屏山隧道中部地下2400米處，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施土建公用工程完工，這意味著世界最深、最大的極深地下實(shí)驗(yàn)室正式投入科學(xué)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室將助力暗物質(zhì)和核天體物理研究，幫助人類更好認(rèn)識(shí)宇宙。

圖｜中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的粒子和天體物理氙探測實(shí)驗(yàn)PandaX-4T實(shí)驗(yàn)裝置

來源：國投集團(tuán)雅礱江流域水電開發(fā)有限公司

41、“拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子

“拉索”（LHAASO）首次記錄了伽馬暴萬億電子伏特光子爆發(fā)的全過程，探測到早期的上升階段，由此推斷噴流具有極高的相對論洛倫茲因子?！袄鳌边€看到了GRB 221009A（史上最亮伽馬暴）的余輝在700秒左右出現(xiàn)了快速下降，從光變拐折的時(shí)間得到噴流的半張角僅有0.8度，這是迄今發(fā)現(xiàn)最窄的伽馬暴噴流?！袄鳌边€精確測量了高能伽馬射線的能譜，呈現(xiàn)單一的冪律，延伸至十萬億電子伏特以上，這是伽馬暴觀測到的迄今最高能量的光子。“拉索”的觀測沒有發(fā)現(xiàn)能譜變軟現(xiàn)象，這對伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)模型提出了挑戰(zhàn)，意味著十萬億電子伏特光子可能產(chǎn)生于更復(fù)雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機(jī)制。這一成果入選“2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

42、深空探測取得顯著進(jìn)展

美國持續(xù)開展火星探測，并為火星取樣返回作準(zhǔn)備?！耙懔Α保≒erseverance）火星車在一個(gè)名為“三叉”（Three Forks）的區(qū)域內(nèi)成功放置了第10份火星樣品管，完成火星表面樣品管“倉庫”的建設(shè)工作。

在小行星探測方面，NASA首個(gè)載有從小行星貝努（Bennu）收集了巖石和塵埃的返回艙成功著陸?！办`神星”（Psyche）探測器發(fā)射，將對小行星帶中的靈神星（16 Psyche）展開探測，這將是人類首次接近和探索M型（金屬質(zhì)）小行星。

天文觀測方面，12月19日，NASA公布了“詹姆斯?韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的有史以來最清晰的天王星照片，其中包括14顆天王星衛(wèi)星。

中國科學(xué)家瞄準(zhǔn)火星烏托邦平原南部豐富的風(fēng)沙地貌，利用環(huán)繞器高分辨率相機(jī)、氣象測量儀等開展了高分辨率遙感和近距離就位的聯(lián)合探測，發(fā)現(xiàn)了著陸區(qū)風(fēng)場發(fā)生顯著變化的層序證據(jù)，并與火星中高緯度分布的冰塵覆蓋層記錄有很好的一致性，揭示了祝融號著陸區(qū)可能經(jīng)歷了以風(fēng)向變化為標(biāo)志的兩個(gè)主要?dú)夂螂A段。相關(guān)研究成果2023年7月7日發(fā)表于《自然》。

43、商業(yè)航天新進(jìn)展

2023年，SpaceX旗下“獵鷹9號”和“重型獵鷹”可復(fù)用運(yùn)載火箭共實(shí)施96次發(fā)射，全部成功，全球占比43%。發(fā)射質(zhì)量達(dá)1195噸，全球占比80%；發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量為2514顆（其中“星鏈”占1948顆），全球占比87%。依托強(qiáng)大的發(fā)射能力和低廉的發(fā)射成本，美國商業(yè)航天正在加速打造自己的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座——“星鏈”。這將有助于解決目前城市基站沒有覆蓋的人與人之間互聯(lián)互通的需求，構(gòu)建一個(gè)萬物互聯(lián)的更智能的世界。

03

物質(zhì)、材料、化學(xué)

一

物質(zhì)世界

44、首次實(shí)現(xiàn)單原子X射線探測

由多個(gè)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次拍攝到了單原子X射線信號，相關(guān)研究5月31日刊登于《自然》。研究團(tuán)隊(duì)在X射線探測器內(nèi)加入了一個(gè)由位于樣品附近的尖銳金屬尖端制成的專用探測器，當(dāng)X射線照射到原子上時(shí)，核心能級的電子被激發(fā)，并通過重疊的原子/分子軌道隧穿到探測器尖端，獲得的光譜能揭示原子的相關(guān)信息。這項(xiàng)突破將為X射線和納米科學(xué)領(lǐng)域開辟新天地，這一成果入選兩院院士評選的“世界十大科技進(jìn)展新聞”、“《物理世界》2023年度十大突破”。

圖｜單原子X射線首次探到的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

45、首次發(fā)現(xiàn)富含中子鈾同位素

日本科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241，其原子序數(shù)為92，質(zhì)量為241，半衰期可能只有40分鐘，這是自1979年以來科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)富含中子的鈾同位素。研究小組指出，最新研究中使用的技術(shù)能幫助他們更好地理解與重元素相關(guān)的原子核的形狀，有望修改現(xiàn)有建造核電站的模型，以及描述恒星爆炸行為的理論，最新方法還有助發(fā)現(xiàn)更多的新同位素。

圖｜日本科學(xué)家首次造出氧-28，其有8個(gè)質(zhì)子和20個(gè)中子

圖片來源：卡洛斯·克拉里萬/科學(xué)圖片庫

46、迄今最小粒子加速器問世

德國研究團(tuán)隊(duì)成功制造出了世界上最小的粒子加速器，其長度僅為0.2毫米，可以裝在筆尖上。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然》雜志上。這一設(shè)備是第一個(gè)能夠快速且聚焦良好的產(chǎn)生電子束的微型加速器，可將電子加速到每秒10萬公里。該加速器采用了光波來加速粒子，通過數(shù)千根2微米高的硅柱排列成兩條平行線，形成了一個(gè)狹窄的電子束。這種新技術(shù)有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為醫(yī)生提供新的治療工具或?yàn)樯飳?shí)驗(yàn)室提供小型消毒工具。這一成果入選兩院院士評選的“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

47、利用中微子研究質(zhì)子結(jié)構(gòu)

美國和加拿大科學(xué)家展示了如何從塑料靶散射的中微子中收集有關(guān)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。中微子是一種亞原子粒子，最出名的特征就是很少與物質(zhì)發(fā)生相互作用。如何觀測單個(gè)質(zhì)子（氫原子核）散射的中微子的信號——要知道，這種信號淹沒在束縛在碳原子核中的質(zhì)子散射的龐大中微子背景中。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)模擬了碳原子散射中微子的信號，并且小心地從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中減去了這些背景信號。這項(xiàng)研究既有助于我們深入了解質(zhì)子結(jié)構(gòu)，也提供了一種進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中微子與物質(zhì)作用方式的新技巧。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

48、首次在實(shí)驗(yàn)室制造出反芳香性分子環(huán)氧乙烯

環(huán)氧乙烯是最小的反芳香性雜環(huán)化合物，也是星際環(huán)境中的一種關(guān)鍵活性成分，被認(rèn)為是最神秘的有機(jī)瞬變分子之一，科學(xué)家們此前認(rèn)為其不可合成。德美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新方法，對極低溫冰進(jìn)行處理并借助轉(zhuǎn)移到冰基質(zhì)上的共振能量，在模擬深空分子云和恒星形成區(qū)域的實(shí)驗(yàn)室條件下，制造出了環(huán)氧乙烯，且通過一種高科技質(zhì)譜工具觀察到了該分子。研究團(tuán)隊(duì)指出，在如此極端環(huán)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)環(huán)氧乙烯意義非凡，它值得科學(xué)家們使用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡等，在宇宙中對其開展搜索。

49、量子計(jì)算機(jī)首次識(shí)別出單個(gè)核苷酸

日本科學(xué)家使用量子計(jì)算機(jī)，將單磷酸腺苷核苷酸與其他3種核苷酸分子區(qū)分開來，這是量子計(jì)算機(jī)首次應(yīng)用于單分子測量，證明了其在基因組分析中大有潛力。最新研究有望使超快速基因組分析在藥物發(fā)現(xiàn)、癌癥診斷和傳染病研究等領(lǐng)域大顯身手。相關(guān)論文刊發(fā)于《物理化學(xué)雜志B》雜志。

圖｜利用量子計(jì)算機(jī)鑒定單分子示意圖

來源：大阪大學(xué)

50、反物質(zhì)不會(huì)違反引力效應(yīng)

國際合作組織證明反物質(zhì)回應(yīng)引力的方式與正常物質(zhì)非常相似。物理學(xué)家使用ALPHA-g實(shí)驗(yàn)裝置第一次直接觀測到了下落中的反物質(zhì)原子——由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)反電子構(gòu)成的反氫原子。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，凐滅發(fā)生的位置比施放反氫原子的位置低。即便考慮到反氫原子的熱運(yùn)動(dòng)，還是能得出反氫原子下落的結(jié)論。這項(xiàng)研究打開了標(biāo)準(zhǔn)模型之外全新物理學(xué)理論的大門。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

51、研究發(fā)現(xiàn)新分子磁體家族

單分子磁體（SMM）是單個(gè)分子或原子能夠保持自旋力矩—磁化方向的材料。它們的狀態(tài)可通過外部磁場來切換。俄羅斯研究人員發(fā)現(xiàn)，鈷、鐵和鎳的非典型復(fù)雜化合物可能表現(xiàn)出單離子磁體的特性。這一研究成果有助于利用此類物質(zhì)制造高效電子元件，存儲(chǔ)超高密度信息，其容量是現(xiàn)代設(shè)備的一千倍。這將使開發(fā)設(shè)計(jì)具有所需特性的分子，找到增強(qiáng)所需技術(shù)特性的方法成為可能，并開發(fā)基于電子自旋特性的新技術(shù)，如量子計(jì)算設(shè)備。

52、新的茂金屬化合物

日本與德國、俄羅斯的科學(xué)家們攜手，成功開發(fā)出一種新型的茂金屬化合物。這一突破性的研究成果已在《自然-通訊》雜志上發(fā)表。茂金屬，以其多功能性和特殊的“三明治”結(jié)構(gòu)而聞名，是一種有機(jī)金屬化合物。這種化合物的獨(dú)特之處在于其能夠“夾心”許多不同的元素以形成各種化合物。由于其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，茂金屬獲得了1973年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。茂金屬的多功能性源于其能夠在分子中“夾心”多種元素。這使得它們在聚合物生產(chǎn)、血糖儀以及鈣鈦礦太陽能電池等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，由于其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，茂金屬還可以用作催化劑。盡管理論上可以形成多達(dá)20個(gè)電子的配合物，但18個(gè)電子的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定和常見。然而，研究人員此次成功地在19電子茂金屬中增加了兩個(gè)電子，創(chuàng)造出了一個(gè)含有21個(gè)電子的全新茂金屬。這是一個(gè)前所未有的壯舉，因?yàn)橐坏┏^18個(gè)電子，茂金屬的化學(xué)鍵就會(huì)開始拉長、斷裂并改變結(jié)構(gòu)。但是，新開發(fā)的21電子茂金屬不僅在溶液中穩(wěn)定，而且在固態(tài)下也極為穩(wěn)定，具有很長的儲(chǔ)存時(shí)間。

這項(xiàng)新的研究成果為科學(xué)家們開辟了新的可能，他們可以利用這種新型的茂金屬創(chuàng)造出用于醫(yī)學(xué)、催化和能源領(lǐng)域的新材料。這將有助于解決一些全球性的重大問題，并提高人類的生活質(zhì)量。

圖｜新合成的21電子茂金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)，顯示氮（藍(lán)色）、鈷（紅色）、氫（綠色）和碳（灰色）原子

來源：日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究所

53、在玻色愛因斯坦凝聚（BEC）中模擬宇宙膨脹

多國科學(xué)家利用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬了宇宙的膨脹和其中的量子場。通過調(diào)整BEC中原子的散射長度，研究團(tuán)隊(duì)成功模擬了宇宙以不同速度膨脹時(shí)的情況，并研究了聲子在其中引發(fā)的密度波動(dòng)。這項(xiàng)研究對于理解早期宇宙的形成以及宇宙的演化具有重要意義，因?yàn)橛钪鎸W(xué)理論認(rèn)為早期宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)可能是由類似的效應(yīng)引起的。通過模擬宇宙的過程和特性，研究人員可以從中獲得對真實(shí)宇宙演化的啟示，這對于我們理解宇宙的形成和發(fā)展有著潛在的價(jià)值。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

54、迄今最短電子脈沖創(chuàng)建

德國科學(xué)家已創(chuàng)造出迄今最短的電子短脈沖，其持續(xù)時(shí)間僅為53阿秒，如此短的電子脈沖可使電子顯微鏡及時(shí)聚焦于較短的切片上，類似于降低相機(jī)的快門速度，從而更清晰地揭示粒子的運(yùn)動(dòng)。研究人員稱，如果利用此次獲得的阿秒電子脈沖創(chuàng)建電子顯微鏡，不僅有足夠的分辨率來觀察運(yùn)動(dòng)中的原子，甚至可看到電子在這些原子之間是如何跳躍的。研究團(tuán)隊(duì)表示，最新突破有望催生更精確的電子顯微鏡，在原子尺度上捕捉清晰的圖像，還可加快計(jì)算機(jī)芯片中數(shù)據(jù)的傳輸速度。探測到的53阿秒電子脈沖甚至比引發(fā)它的光脈沖還要短。根據(jù)玻爾的氫原子模型，這一持續(xù)時(shí)間僅為氫原子中電子繞其原子核運(yùn)行一周所需時(shí)間的1/5。

55、發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制

中國科學(xué)家開發(fā)高分辨電化學(xué)原位透射電鏡技術(shù)，耦合真實(shí)電解液環(huán)境和外加電場，實(shí)現(xiàn)對鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測和研究。發(fā)現(xiàn)電池活性材料表面分子聚集成為分子團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，電荷轉(zhuǎn)移可以首先存儲(chǔ)在聚集分子團(tuán)中，分子團(tuán)得到電子但不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，直到獲得足夠電子后瞬時(shí)結(jié)晶轉(zhuǎn)化。而沒有活性的材料表面遵循經(jīng)典的單分子反應(yīng)途徑，多硫化鋰分子逐步得到電子，分步轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)化為Li2S。模擬計(jì)算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進(jìn)了Li 和多硫分子的聚集，并證實(shí)分子聚集體中的電荷可以自由轉(zhuǎn)移。近百年來，電化學(xué)界面反應(yīng)通常被認(rèn)為僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”單分子途徑。該研究揭示出電化學(xué)界面反應(yīng)存在第三種“電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)”機(jī)制，加深了對多硫化物演變及其對電池表界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的認(rèn)識(shí)，為下一代鋰硫電池設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。這一成果入選“2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

二

新型材料

56、液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體首次發(fā)現(xiàn)

中國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)在14 GPa壓力下達(dá)到液氮溫區(qū)的鎳氧化物超導(dǎo)體。這是由我國科學(xué)家率先獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重要突破。該研究成果已刊登于《自然》雜志，將有望推動(dòng)破解高溫超導(dǎo)機(jī)理，使設(shè)計(jì)和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料成為可能，使超導(dǎo)在信息技術(shù)、工業(yè)加工、電力、生物醫(yī)學(xué)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

圖｜鎳氧化物樣品制備

圖片來源：中山大學(xué)

57、新型儲(chǔ)氫復(fù)合合金問世

德國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新的基于鈦鎂鋰的復(fù)合合金家族。這種合金具有極低的密度，并且在室溫下具有相當(dāng)大的儲(chǔ)氫能力，有望成為未來儲(chǔ)氫設(shè)施的基石。

58、新型彩色涂料助建筑物冬暖夏涼

美國科學(xué)家發(fā)明了一種新型涂料，可使房屋和其他建筑在夏天保持涼爽，冬天保持溫暖，從而顯著減少能源使用，降低溫室氣體排放。測試顯示，在人工寒冷環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，新涂料將用于加熱的能量減少了約36%；在人工暖環(huán)境中，將冷卻所需能量減少了近21%。該涂料兩層都防水，可應(yīng)用于潮濕環(huán)境。用濕布或水沖洗即可清潔涂料表面。此外，在高溫（80℃）、低溫（-196℃）以及高酸性等環(huán)境中連續(xù)暴露一周后，涂料的性能和美觀性也絲毫無損。

圖｜涂上新涂料的各種不同形狀和材質(zhì)的物體

來源：斯坦福大學(xué)

59、迄今為止速度最快、效率最高的半導(dǎo)體

發(fā)表在10月26日《科學(xué)》雜志的論文中，美國科學(xué)家描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導(dǎo)體——一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。研究人員表示，就能量傳輸而言，至少到目前為止，Re6Se8Cl2是已知的最好的半導(dǎo)體。Re6Se8Cl2可被剝離成原子薄片，這一特征意味著它們可能會(huì)與其他類似材料結(jié)合起來，出現(xiàn)更多獨(dú)特的性質(zhì)。然而，Re6Se8Cl2不太可能實(shí)現(xiàn)商用，因?yàn)槠浞肿又械牡谝环N元素——錸是地球上最稀有的元素之一，因此極其昂貴。

圖｜硅材料的電子像兔子亂蹦，Re6Se8Cl2 材料的聲激子-極化子像烏龜穩(wěn)定前進(jìn)

來源：哥倫比亞大學(xué)

60、3D打印制成迄今最具彈性新合金

美國科學(xué)家開發(fā)出一種3D打印工藝，制造出了迄今最具彈性的新合金，該合金名為 GRX-810，具有超強(qiáng)的抗熱、抗氧化和抗應(yīng)力性能，可用于制造飛機(jī)和航天器的高溫零件。該合金是通過 3D 打印技術(shù)和氧化物分散技術(shù)制造的，比現(xiàn)有的合金強(qiáng)度高出兩倍，耐久性高出 1000 倍，抗應(yīng)力能力高出 600 倍。。相關(guān)研究刊發(fā)于《自然》雜志上。GRX-810 是一種氧化物分散強(qiáng)化合金，即在合金中分散含有氧原子的微粒，從而提高其強(qiáng)度。這種合金適合用于制造航空航天領(lǐng)域的高溫零件，例如飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的零件，因?yàn)樗鼈兛梢栽诟鼝毫拥臈l件下承受更大的壓力。目前，3D 打印的超合金可以承受 2000 華氏度（IT之家注：約 1100 攝氏度）的溫度，而 GRX-810 則可以抵抗更高的溫度，并且更不易氧化。研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬和激光粉末床熔化技術(shù)，快速找到了 GRX-810 的理想成分。他們以鎳、鈷、鉻為基礎(chǔ)的合金為原料，在 3D 打印過程中，逐層添加氧化釔粉末，然后用激光加熱，使氧化物微粒與合金融合。這樣就形成了一層層含有陶瓷材料的合金。

61、新型鎳-鉬催化劑

2023年5月，韓國研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型鎳-鉬催化劑。作為離子交換膜燃料電池的電極材料，其具有成本低、催化率高等優(yōu)點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)表示，此前國際上就曾開展過鎳催化劑的相關(guān)研究，但其作為離子交換膜燃料電池的電極材料展現(xiàn)出的性能不及鉑催化劑的百分之一，在實(shí)際應(yīng)用方面存在較大的技術(shù)難題。為解決鎳催化劑的性能問題，研究人員經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)成功用氧化鉬改變了鎳的電子結(jié)構(gòu)，顯著提高了鎳的催化性能。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鉑催化劑的性能為1.0mA/cm2，而鎳-鉬催化劑的性能為1.1mA/cm2，展現(xiàn)出更加優(yōu)越的催化性能。此外，鎳-鉬催化劑的成本僅為鉑催化劑的80分之一，在大規(guī)模生產(chǎn)方面也有較大優(yōu)勢，預(yù)計(jì)未來有望成為離子交換膜燃料電池的主要電極材料。

62、新一代全固體電池用氯化物電解質(zhì)材料

韓國研究團(tuán)隊(duì)于2023年11月開發(fā)出新一代全固體電池用氯化物電解質(zhì)材料。該團(tuán)隊(duì)首次證明了三方晶系氯化物固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬離子的組成和配置會(huì)對鋰離子的導(dǎo)電性產(chǎn)生影響，并開發(fā)出新一代鋯離子氯化物固體電解質(zhì)。新材料商用后將可延長固體電池的穩(wěn)定性和壽命。相關(guān)論文已刊登在《科學(xué)》雜志。

63、創(chuàng)紀(jì)錄的炭基超級電容材料

在機(jī)器學(xué)習(xí)的指導(dǎo)下，美國研究人員設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)紀(jì)錄的炭基超級電容材料，其儲(chǔ)存的能量是當(dāng)前最佳商業(yè)材料的4倍，將碳超級電容器的儲(chǔ)能邊界推向了一個(gè)新的水平。用這種新材料制造的超級電容器可儲(chǔ)存更多的能量，從而改善再生制動(dòng)系統(tǒng)、電力電子設(shè)備和輔助電源。研究人員設(shè)計(jì)了一種非常多孔的摻雜炭，它可為界面電化學(xué)反應(yīng)提供巨大的表面積。隨后，他們合成了一種用于儲(chǔ)存和傳輸電荷的新材料——富氧炭框架。相關(guān)論文發(fā)表在《自然-通訊》雜志上。

64、新型可持續(xù)氣凝膠密封材料

德國科學(xué)家開發(fā)出一種新型可持續(xù)氣凝膠密封材料。新工藝的關(guān)鍵之處在于用超臨界（氣體和流體之間）二氧化碳代替?zhèn)鹘y(tǒng)的用于溶解硅凝膠的酸性材料制備氣凝膠。傳統(tǒng)工藝下，1公斤氣凝膠需要6公斤酸性物質(zhì)來完成溶解和合成，且這些酸性物質(zhì)對環(huán)境有害。而新工藝全程使用二氧化碳來制備氣凝膠，用于制備的硅凝膠原料也通過比對二十余種材料采用了一種新發(fā)現(xiàn)的易獲取、價(jià)格低廉且無毒害的新型硅凝膠材料。制備出的新型氣凝膠材料為直徑2-4毫米的固體顆粒，并通過模具塑制成形狀大小不一的建筑密封材料產(chǎn)品。

65、首個(gè)固態(tài)電化學(xué)熱晶體管

日本科學(xué)家開發(fā)出首個(gè)固態(tài)電化學(xué)熱晶體管，熱晶體管大致由活性材料和開關(guān)材料組成，活性材料的導(dǎo)熱性會(huì)發(fā)生變化，而開關(guān)材料可控制活性材料的導(dǎo)熱性。他們在氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基底上制造出了最新的固態(tài)熱晶體管。該基底也用作開關(guān)材料，氧化鍶鈷用作活性材料，而鉑電極提供控制晶體管所需的電力。研究發(fā)現(xiàn)，活性材料在“開”狀態(tài)下的導(dǎo)熱性與一些液態(tài)熱晶體管相當(dāng)。而且，活性材料在“開”狀態(tài)下的導(dǎo)熱性比“關(guān)”狀態(tài)下高4倍。此外，該晶體管使用10個(gè)周期后仍保持穩(wěn)定，優(yōu)于一些目前使用的液態(tài)熱晶體管。團(tuán)隊(duì)在20多個(gè)單獨(dú)制造的固態(tài)熱晶體管上進(jìn)行了測試，確保了結(jié)果的可重復(fù)性。這一最新研究表明，固態(tài)電化學(xué)熱晶體管具有與液態(tài)電化學(xué)熱晶體管一樣有效的潛力。

66、雙縫實(shí)驗(yàn)在時(shí)間維度重建

英國科學(xué)家借助一種能在飛秒（千萬億分之一秒）內(nèi)改變特性的“超材料”，在時(shí)間而非空間維度重現(xiàn)了著名的雙縫實(shí)驗(yàn)。最新實(shí)驗(yàn)揭示了更多光的基本性質(zhì)，也為創(chuàng)造出能在空間和時(shí)間尺度上精細(xì)控制光的終極材料奠定了基礎(chǔ)。這一實(shí)驗(yàn)原本涉及光通過空間中的一對“狹縫”的衍射，但新研究表明，使用雙縫在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)等效效果是可能的。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中用到了氧化銦錫薄膜，在飛秒這樣超快的時(shí)間尺度上，這種材料的反射率會(huì)被激光改變，為光創(chuàng)造出“狹縫”。研究人員通過快速連續(xù)兩次打開和關(guān)閉半導(dǎo)體鏡的反射率并沿著從鏡反射的光的頻譜記錄干涉條紋，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干擾發(fā)生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置之間。這項(xiàng)成果未來或有多種應(yīng)用，例如用于信號處理和通信或光計(jì)算的光開關(guān)。該成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

圖｜原始雙縫實(shí)驗(yàn)藝術(shù)圖

圖片來源：英國《自然》雜志網(wǎng)站

04

智能、信息、通信

一

芯片

67、新款憶阻器存算一體芯片成功研制

基于存算一體計(jì)算范式，中國研究團(tuán)隊(duì)研制出全球首款全系統(tǒng)集成、支持高效片上學(xué)習(xí)（機(jī)器學(xué)習(xí)能在硬件端直接完成）的憶阻器存算一體芯片。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。該芯片包含支持完整片上學(xué)習(xí)所必需的全部電路模塊，成功完成圖像分類、語音識(shí)別和控制任務(wù)等多種片上增量學(xué)習(xí)功能驗(yàn)證，展示出高適應(yīng)性、高能效、高通用性、高準(zhǔn)確率等特點(diǎn)，有效強(qiáng)化智能設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用場景下的學(xué)習(xí)適應(yīng)能力。相同任務(wù)下，該芯片實(shí)現(xiàn)片上學(xué)習(xí)的能耗僅為先進(jìn)工藝下專用集成電路（ASIC）系統(tǒng)的3%，展現(xiàn)出卓越的能效優(yōu)勢，極具滿足人工智能時(shí)代高算力需求的應(yīng)用潛力，為突破馮·諾依曼傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)下的能效瓶頸提供了一種創(chuàng)新發(fā)展路徑。這一成果入選兩院院士評選的“2023年中國十大科技進(jìn)展新聞”。

圖｜憶阻器存算一體芯片及測試系統(tǒng)

圖片來源：清華大學(xué)

68、超越硅基極限的二維晶體管問世

中國研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了10納米超短溝道彈道二維硒化銦晶體管。創(chuàng)造性地提出“稀土釔元素?fù)诫s誘導(dǎo)二維相變理論”，并發(fā)明了“原子級可控精準(zhǔn)摻雜技術(shù)”，首次使得二維晶體管實(shí)際性能超過業(yè)界硅基10納米節(jié)點(diǎn)Fin晶體管和國際半導(dǎo)體路線圖預(yù)測的硅極限，并且將二維晶體管的工作電壓降到0.5V，室溫彈道率提升至所有晶體管最高紀(jì)錄的83%，研制出國際上迄今速度最快、能耗最低的二維晶體管。相關(guān)成果2023年3月22日發(fā)表于《自然》。

圖｜稀土元素釔誘導(dǎo)相變歐姆接觸理論和原子級可控精準(zhǔn)摻雜技術(shù)

圖片來源：北京大學(xué)

69、迄今最薄的芯片級光線路

美國科學(xué)家研制出迄今最薄的芯片級光線路——二維（2D）波導(dǎo)。這款只有幾個(gè)原子厚的玻璃晶體具備捕獲和攜帶光的能力，并且具有驚人的效率，能夠?qū)⒐鈧鞑ラL達(dá)一厘米的距離。這一突破性的技術(shù)有望為光基計(jì)算領(lǐng)域開辟新的道路。光基計(jì)算是一種利用光來傳輸和處理信息的新興技術(shù)，被認(rèn)為是未來計(jì)算領(lǐng)域的重要方向。與傳統(tǒng)的電子計(jì)算相比，光基計(jì)算具有更高的速度和更低的能耗。然而，由于光的傳播距離受限，長距離的光傳輸一直是該領(lǐng)域的難題。而這款二維波導(dǎo)的問世，為解決這一問題提供了新的可能性。這項(xiàng)研究成果的問世，為光基計(jì)算領(lǐng)域帶來了新的突破。二維波導(dǎo)的超薄設(shè)計(jì)和高效傳輸能力，為光基計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用提供了更多可能性。未來，這項(xiàng)技術(shù)有望在數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展。

圖｜研究人員拿著這種材料

圖片來源：Jean Lachat/物理學(xué)家組織網(wǎng)

70、首臺(tái)芯片級摻鈦藍(lán)寶石激光器

美國研究人員開發(fā)出首臺(tái)芯片級摻鈦藍(lán)寶石激光器，它提供了芯片上迄今看到的最寬增益譜，這項(xiàng)突破的應(yīng)用范圍涵蓋從原子鐘到量子計(jì)算和光譜傳感器，研究結(jié)果發(fā)表在《自然-光子學(xué)》雜志上。新研究的關(guān)鍵在于激光器的低閾值。傳統(tǒng)摻鈦藍(lán)寶石激光器的閾值超過100毫瓦，而新系統(tǒng)的閾值約為6.5毫瓦，通過進(jìn)一步調(diào)整，研究人員相信可將閾值降低到1毫瓦。此外，新系統(tǒng)還與廣泛用于藍(lán)色LED和激光的氮化鎵光電子器件兼容。

71、迄今最高存儲(chǔ)密度器件面世

美國研究人員在《自然》雜志上刊發(fā)論文稱，他們已經(jīng)為邊緣人工智能（便攜式設(shè)備內(nèi)的人工智能）開發(fā)出了迄今存儲(chǔ)密度最高的新型器件和芯片，有望在便攜式設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的人工智能，如讓迷你版ChatGPT的功能在個(gè)人便攜式設(shè)備內(nèi)“遍地開花”。研究人員將硅與金屬氧化物憶阻器結(jié)合在一起，制造出了一款功能強(qiáng)大能耗很低的新型芯片。該技術(shù)使用原子的位置而非電子的數(shù)量（目前芯片內(nèi)使用的技術(shù)）來表示信息，鑒于傳統(tǒng)芯片內(nèi)被操縱的電子很“輕”，容易四處移動(dòng)而逸失信息，新芯片以模擬而非數(shù)字方式，可穩(wěn)定而緊湊地存儲(chǔ)更多信息。信息也可以在存儲(chǔ)的地方進(jìn)行處理，而不必發(fā)送到專用“處理器”，消除了當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)中存在的“馮·諾依曼瓶頸”，從而大大提高人工智能計(jì)算的效率以及數(shù)據(jù)吞吐量。

72、3D集成技術(shù)達(dá)到迄今最高性能

日本科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種新的集成處理器和存儲(chǔ)器的三維技術(shù)，名為“BBCube 3D”，實(shí)現(xiàn)了全世界最高的性能，為更快、更高效的計(jì)算鋪平了道路。BBCube 3D最顯著的方面是實(shí)現(xiàn)了處理單元和DRAM之間的三維而非二維連接。該團(tuán)隊(duì)使用創(chuàng)新的堆疊結(jié)構(gòu)，其中處理器管芯位于多層DRAM之上，所有組件通過硅通孔互連。團(tuán)隊(duì)評估了新體系結(jié)構(gòu)的速度，并將其與兩種最先進(jìn)的存儲(chǔ)器技術(shù)(DDR5和HBM2E)進(jìn)行了比較。研究人員稱，BBCube 3D有可能實(shí)現(xiàn)每秒1.6兆字節(jié)的帶寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。此外，由于BBCube具有低熱阻和低阻抗等特性，3D集成可能出現(xiàn)的熱管理和電源問題可得到緩解，新技術(shù)在顯著提高帶寬的同時(shí)，比特訪問能量分別為DDR5和HBM2E的1/20和1/5。

圖｜最新提出的集成技術(shù)使用堆疊方法設(shè)計(jì)

來源：東京理工大學(xué)

二

量子與通信

73、大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件

奧地利和法國科學(xué)家構(gòu)筑了一種量子中繼器，并且借助它通過標(biāo)準(zhǔn)電信光纖實(shí)現(xiàn)跨50千米的量子信息傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)系統(tǒng)中囊括長距離量子網(wǎng)絡(luò)的所有關(guān)鍵功能。研究團(tuán)隊(duì)使用一對鈣40離子制造量子中繼器，鈣40離子在受到激光脈沖照射后會(huì)發(fā)射光子。處于糾纏狀態(tài)的光子與其“母”離子被轉(zhuǎn)換成電信波長并沿著互相獨(dú)立的多根25千米長光纖傳輸出去。最后，中繼器交換兩個(gè)離子的糾纏狀態(tài)，使得兩個(gè)糾纏光子相距50千米——50千米大致就是創(chuàng)建具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)需要的距離。。該研究成果入選“《物理世界》2023年度十大突破”。

74、51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備刷新世界紀(jì)錄

繼實(shí)現(xiàn)10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備之后，中國研究人員又取得了重要突破——成功實(shí)現(xiàn)51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，刷新了所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。該研究將量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄由24個(gè)大幅突破至51個(gè)，充分展示了超導(dǎo)量子計(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性，對研究多體量子糾纏、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子算法以及基于測量的量子計(jì)算等具有重要意義。。相關(guān)成果7月12日在線發(fā)表于《自然》雜志，入選兩院院士評選的“2023年中國十大科技進(jìn)展新聞”。

圖｜量子真糾纏態(tài)比特?cái)?shù)目的發(fā)展歷史

圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

75、玻色編碼糾錯(cuò)延長量子比特壽命

理論上，量子計(jì)算機(jī)具有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力，但受噪聲干擾后容易出現(xiàn)量子退相干，導(dǎo)致錯(cuò)誤率比經(jīng)典計(jì)算機(jī)至少高十多個(gè)量級。量子糾錯(cuò)是解決該問題的重要途徑，通過量子編碼使得一個(gè)被保護(hù)的邏輯量子比特的相干壽命，超過量子電路中最好的物理比特的相干壽命。此時(shí)，意味著糾錯(cuò)過程超越了量子糾纏的盈虧平衡點(diǎn)，這是構(gòu)建邏輯量子比特的必要條件。但量子態(tài)具有不可克隆性，量子計(jì)算機(jī)無法通過備份來糾正錯(cuò)誤，量子糾錯(cuò)過程會(huì)引入新的錯(cuò)誤，造成誤差累積，甚至出現(xiàn)越糾越錯(cuò)的局面。中國研究團(tuán)隊(duì)依據(jù)玻色編碼量子糾錯(cuò)方案，開發(fā)了基于頻率梳控制的低錯(cuò)誤率宇稱探測技術(shù)，大幅延長邏輯量子比特的相干壽命，超盈虧平衡點(diǎn)達(dá)16%，實(shí)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)增益。該成果是通往容錯(cuò)量子計(jì)算道路上的一項(xiàng)重要成果，并入選“2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

76、構(gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄

中國研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”，再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，科研人員設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測新方法，構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍?！熬耪氯枴痹诎偃f分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）花費(fèi)超過二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

圖｜量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

77、首個(gè)基于微波的量子雷達(dá)

法國科學(xué)家成功開發(fā)出了首個(gè)基于微波的量子雷達(dá)，其性能比現(xiàn)有傳統(tǒng)雷達(dá)高20%,實(shí)現(xiàn)了所謂的“量子優(yōu)越性”。相關(guān)研究發(fā)表于最新一期《自然·物理學(xué)》雜志。這一研究成果對于微波量子計(jì)量領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義，有望為未來的雷達(dá)傳感技術(shù)帶來革命性的變革。量子雷達(dá)是一種利用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息傳輸和處理的新型雷達(dá)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)相比，量子雷達(dá)具有更高的靈敏度和精度，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更高分辨率的目標(biāo)探測和跟蹤。而此次研究開發(fā)的基于微波的量子雷達(dá)，則是在微波頻段上實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，為微波量子計(jì)量領(lǐng)域帶來了新的可能性。實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的關(guān)鍵在于超導(dǎo)電路的研發(fā)。超導(dǎo)電路是一種能夠糾纏、存儲(chǔ)和操縱微波量子態(tài)的電路，可以計(jì)算微波場中的光子數(shù)量。在此次研究中，科學(xué)家們發(fā)明了一種新型的超導(dǎo)電路，其能夠在微波頻段上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，為微波量子雷達(dá)的研發(fā)提供了有力的支持。

量子雷達(dá)的應(yīng)用前景非常廣泛。除了在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用外，量子雷達(dá)還可以應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如航空航天、交通運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測等方面。例如，在航空航天領(lǐng)域中，量子雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)高精度的目標(biāo)探測和跟蹤，為飛行器的安全控制提供有力的支持；在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中，量子雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對大氣污染源的高精度探測和監(jiān)測，為環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。相關(guān)研究發(fā)表于《自然-物理學(xué)》雜志。

圖｜超導(dǎo)電路的光學(xué)圖像是量子雷達(dá)實(shí)驗(yàn)的核心

來源：里昂高等師范學(xué)院

78、兩個(gè)量子光源首次實(shí)現(xiàn)量子糾纏

丹麥和德國科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文指出，他們攜手解決了一個(gè)困擾量子科學(xué)家多年的問題——在兩塊納米芯片上，首次同時(shí)控制兩個(gè)量子光源，并讓其實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)糾纏。最新進(jìn)展對量子硬件的突破性應(yīng)用至關(guān)重要，將促進(jìn)量子技術(shù)發(fā)展到更高水平，是計(jì)算機(jī)、加密和互聯(lián)網(wǎng)加速“量子化”的關(guān)鍵一步，將為量子技術(shù)的商業(yè)利用打開大門。研究人員一直致力于開發(fā)穩(wěn)定的量子光源，并實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)糾纏，也就是兩個(gè)量子光源可遠(yuǎn)距離地立刻相互影響。糾纏是量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，也是開發(fā)高效量子計(jì)算機(jī)的核心。

79、首次在量子處理器上“制造出”了任意子

美國量子計(jì)算公司首次在量子處理器上“制造出”了任意子，有望促進(jìn)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。研究人員使用了名為H2的新型量子處理器，該處理器使用鐿和鋇離子通過磁場和激光捕獲來創(chuàng)造量子比特。研究團(tuán)隊(duì)將這些量子比特編織成籠目圖案（一個(gè)由交錯(cuò)的三角形組成的網(wǎng)絡(luò)），得到量子比特的量子力學(xué)特性與預(yù)測的任意子相同，這就是物理學(xué)家尋找已久的拓?fù)淞孔討B(tài)。相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《自然》以及《量子物理學(xué)》等雜志上。

80、首臺(tái)超1000量子比特計(jì)算機(jī)問世

美國量子計(jì)算機(jī)制造商研制出了全球首臺(tái)能運(yùn)行1000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，打破了此前由IBM公司的“魚鷹”創(chuàng)造的433個(gè)量子比特的紀(jì)錄，這可能有助于提高量子計(jì)算機(jī)的精度。這臺(tái)超千量子比特的量子計(jì)算機(jī)使用了一種非常特別和創(chuàng)新的技術(shù)：中性原子 。中性原子是一種沒有電荷的原子，它們可以被激光捕獲在二維網(wǎng)格內(nèi)，并通過調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度和頻率來實(shí)現(xiàn)對其狀態(tài)和相互作用的控制。這樣，每個(gè)中性原子就可以作為一個(gè)量子比特，而整個(gè)網(wǎng)格就可以作為一個(gè)量子計(jì)算機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)指出，盡管量子比特的數(shù)量越多并不一定意味著機(jī)器的性能越好，但任何未來具有容錯(cuò)功能的量子計(jì)算機(jī)都需要至少數(shù)萬個(gè)專用的糾錯(cuò)量子比特與可編程量子比特一起工作。

81、迄今最多邏輯量子比特計(jì)算機(jī)問世

美國量子計(jì)算公司建造的新型量子計(jì)算機(jī)擁有迄今數(shù)量最多的邏輯量子比特——達(dá)到48個(gè)，是此前邏輯量子比特?cái)?shù)量的10倍多。與標(biāo)準(zhǔn)量子比特不同，邏輯量子比特容錯(cuò)率更高?？茖W(xué)家使用激光和磁鐵的力，將一個(gè)真空容器中的數(shù)千個(gè)銣原子冷卻到接近絕對零度，使原子的量子特性最為突出。隨后，他們再次用激光照射原子以精確控制其量子態(tài)。他們利用原子創(chuàng)建了280個(gè)量子比特，然后用另一束激光脈沖讓其中一組量子位發(fā)生糾纏（如一次糾纏7個(gè)量子比特），制成一個(gè)邏輯量子比特。借助這種方法，研究人員一次可制造多達(dá)48個(gè)邏輯量子比特，是以前數(shù)量的10倍多。研究團(tuán)隊(duì)在新量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了幾種計(jì)算機(jī)操作，以測試邏輯量子比特的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其容錯(cuò)率更高。團(tuán)隊(duì)估計(jì)，完全容錯(cuò)或無錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)千個(gè)邏輯量子比特。這一成果向構(gòu)建出實(shí)用量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步，相關(guān)論文發(fā)表于《自然》雜志。

圖｜QuEra的新型量子計(jì)算機(jī)向構(gòu)建出實(shí)用量子計(jì)算機(jī)邁出了關(guān)鍵一步

圖片來源：《新科學(xué)家》網(wǎng)站

82、拓?fù)浣^緣體中首次探測到激子

德國研究團(tuán)隊(duì)首次在拓?fù)浣^緣體中探測到激子（電中性準(zhǔn)粒子）。這一發(fā)現(xiàn)歸功于拓?fù)浣^緣子發(fā)源地維爾茨堡的智能材料設(shè)計(jì)，拓?fù)浣^緣體能實(shí)現(xiàn)電流的無損傳導(dǎo)和強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)，有望成為未來量子技術(shù)新材料的候選。量子比特是量子芯片的計(jì)算單位。使用光而不是電壓可使量子芯片的處理速度快得多。因此，最新發(fā)現(xiàn)為開發(fā)未來的量子技術(shù)和微電子領(lǐng)域的新一代光驅(qū)動(dòng)打造設(shè)備鋪平了道路。激子是看起來是獨(dú)立粒子的電子準(zhǔn)粒子，它們還是一種只能在某些類型的量子物質(zhì)中獲得的激發(fā)電子態(tài)。他們的拓?fù)浣^緣層包含三個(gè)激子(由一個(gè)電子和一個(gè)電子空穴組成的對)。因?yàn)榉涓C的原子結(jié)構(gòu)，電子不能只沿著邊緣流動(dòng)。目前，激子已被用于其他二維半導(dǎo)體，并首次被視為光驅(qū)動(dòng)信息載體。光與激子之間的相互作用意味著我們可以預(yù)測此類材料中的新現(xiàn)象，例如量子比特。研究發(fā)表在《自然-通訊》雜志上。

83、量子材料內(nèi)首次測量電子自旋

一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)首次成功測量了一類新型量子材料內(nèi)的電子自旋，這一成就有望徹底改變未來量子材料的研究方式，為量子技術(shù)的發(fā)展開辟新途徑，并在可再生能源、生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、量子計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域找到用武之地。電子自旋是電子的基本性質(zhì)之一，指電子在空間移動(dòng)的曲率。在最新研究中，來自意大利、德國、英國和美國的研究人員，通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，利用粒子加速器同步加速器產(chǎn)生的光，并借助于對物質(zhì)行為建模的現(xiàn)代技術(shù)，首次成功測量了一種新型的、頗具潛力的拓?fù)淞孔印盎\目”（kagome）材料內(nèi)電子的自旋，這也是科學(xué)家首次測量與拓?fù)涓拍钕嚓P(guān)的電子自旋。“籠目”指一種傳統(tǒng)的編織竹紋，意指編織的孔眼圖案。在最新研究中，為測量“籠目材料”內(nèi)電子的自旋，研究人員利用了被稱為“圓二色性”的特殊效應(yīng)，這是一種只能與同步加速器光源一起使用的特殊實(shí)驗(yàn)技術(shù)，利用了材料基于不同偏振吸收不同光的能力。理論研究人員使用強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的量子模擬，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)則據(jù)此實(shí)現(xiàn)了測量?！盎\目材料”相關(guān)研究結(jié)果有助人們更多地了解此類材料特殊的磁性、拓?fù)湫院统瑢?dǎo)性質(zhì)，為量子材料和量子力學(xué)研究開辟新道路。相關(guān)研究論文已刊發(fā)于《自然物理學(xué)》雜志。

圖｜左邊是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，中間和右邊是理論建模。紅色和藍(lán)色表示電子的速度。

來源：意大利博洛尼亞大學(xué)

84、糾纏量子光源在芯片上集成

德國和荷蘭科學(xué)家組成的國際科研團(tuán)隊(duì)首次將能發(fā)射糾纏光子的量子光源完全集成在一塊芯片上，將量子光源的尺寸縮小到目前設(shè)備的1/1000以下，實(shí)現(xiàn)了更長時(shí)間的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性，同時(shí)也能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，有望成為可編程光量子處理器的基本組件，降低量子技術(shù)應(yīng)用的成本。這種新型量子光源的核心是采用了微腔中的極化發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了光源糾纏的產(chǎn)生和控制。通過精妙的光學(xué)設(shè)計(jì)和微納加工技術(shù)，科學(xué)家們能夠?qū)O化發(fā)生器集成在芯片上，從而實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立且高效的光源。相對于傳統(tǒng)的光源，這種新型量子光源具有更高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，能夠在更長的時(shí)間間隔內(nèi)保持糾纏狀態(tài)，并且能夠在芯片上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，顯著降低了所需的成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種量子光源在芯片上的糾纏光產(chǎn)率高且穩(wěn)定，糾纏時(shí)間長，可以為量子信息處理奠定基礎(chǔ)，拓展量子計(jì)算機(jī)和量子通信等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。相關(guān)研究刊發(fā)于《自然光子學(xué)》雜志。

85、新一代6G太赫茲波

韓國科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出可生成穩(wěn)定度為1/1000萬億的太赫茲波（THz）的技術(shù)，可作為6G移動(dòng)通信頻段，適用于新一代6G無線通信、量子光譜技術(shù)等領(lǐng)域?？蒲袌F(tuán)隊(duì)從穩(wěn)定性為千兆分之一的超精密光頻帶時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的飛秒激光光頻梳中提取并合成兩束激光生成太赫茲波，并在全頻段實(shí)驗(yàn)性地驗(yàn)證了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)水平的穩(wěn)定度（千兆分之一）。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在太赫茲頻段最高水平的光時(shí)鐘穩(wěn)定度，生成的太赫茲波可以在毫赫（mHz）水平的準(zhǔn)確度上進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然通訊》上。

86、標(biāo)準(zhǔn)光纖數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)最快紀(jì)錄

一個(gè)國際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸速度新紀(jì)錄：67公里長的光纖上，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)1.7拍字節(jié)/秒。新型光纖符合全球標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要大規(guī)模修改基礎(chǔ)設(shè)施就可使用。同時(shí)最新方法使用更少的數(shù)字處理過程，大大降低了傳輸每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)所需的功率。研究人員表示，1拍字節(jié)相當(dāng)于100萬吉字節(jié)，今天的家庭互聯(lián)網(wǎng)連接能達(dá)到1吉字節(jié)/秒的速度就很幸運(yùn)了。因此，最新研究意味著一根頭發(fā)粗細(xì)的光纖可承載100多萬個(gè)家庭互聯(lián)網(wǎng)的全速運(yùn)行，且還有余力。該技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括尋找圍繞遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)行的行星、檢測疾病、識(shí)別污水管道的損壞等。

圖｜19芯光纖

來源：NICT

三

智能

87、OpenAI正式發(fā)布GPT-4

OpenAI發(fā)布了多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練大模型GPT-4，GPT-4是一個(gè)多模態(tài)大模型（接受圖像和文本輸入，生成文本）。相比上一代的GPT-3，GPT-4可以更準(zhǔn)確地解決難題，具有更廣泛的常識(shí)和解決問題的能力：更具創(chuàng)造性和協(xié)作性；能夠處理超過25000個(gè)單詞的文本，允許長文內(nèi)容創(chuàng)建、擴(kuò)展對話以及文檔搜索和分析等用例。此外，GPT-4的高級推理能力超越了ChatGPT。在SAT等絕大多數(shù)專業(yè)測試以及相關(guān)學(xué)術(shù)基準(zhǔn)評測中，GPT-4的分?jǐn)?shù)高于ChatGPT。OpenAI花了6個(gè)月時(shí)間使GPT-4更安全、更具一致性。在內(nèi)部評估中，與GPT-3.5相比，GPT-4對不允許內(nèi)容做出回應(yīng)的可能性降低82%，給出事實(shí)性回應(yīng)的可能性高40%。GPT-4引入了更多人類反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，不斷吸取現(xiàn)實(shí)世界使用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行改進(jìn)。GPT-4的發(fā)布是人工智能應(yīng)用的一個(gè)里程碑事件，人工智能可實(shí)現(xiàn)的功能越來越豐富，未來或?qū)⒊蔀槿祟惖眯膽?yīng)手的工具。該成果入選兩院院士評選的“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

88、人工智能首次成功從零生成原始蛋白質(zhì)

美國研究人員創(chuàng)建了一個(gè)能夠從頭開始生成人造酶的人工智能（AI）系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室測試中，盡管人工生成的氨基酸序列與任何已知的天然蛋白質(zhì)存在顯著差異，但其中一些酶與自然界中發(fā)現(xiàn)的酶一樣有效。該實(shí)驗(yàn)表明，自然語言處理雖然是為讀寫語言文本而開發(fā)的，但至少可以學(xué)習(xí)一些生物學(xué)的基本原理。Salesforce Research 開發(fā)了名為 ProGen 的 AI 程序，該程序使用下一個(gè)標(biāo)記預(yù)測將氨基酸序列組裝成人造蛋白質(zhì)?？茖W(xué)家表示，這項(xiàng)新技術(shù)可能比獲得諾貝爾獎(jiǎng)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)定向進(jìn)化更強(qiáng)大，并將通過加速可用于幾乎任何事物的新蛋白質(zhì)的開發(fā)，為已有 50 年歷史的蛋白質(zhì)工程領(lǐng)域注入活力從治療到降解塑料。這一成果入選兩院院士評選的“世界十大科技進(jìn)展新聞”。

89、人工智能大模型為精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)帶來新突破

華為團(tuán)隊(duì)在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域取得了新突破。研究人員基于人工智能方法，構(gòu)建了一個(gè)三維深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，稱為盤古氣象大模型。大模型在某些氣象要素的預(yù)報(bào)精度上超越了傳統(tǒng)數(shù)值方法，且推理效率提高了上萬倍。在全球高分辨率再分析數(shù)據(jù)上，盤古氣象大模型在溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速等重要天氣要素上，都取得了更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，將全球最先進(jìn)的歐洲氣象中心集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)時(shí)效提高了0.6天左右。該研究成果入選“2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

圖｜經(jīng)過使用40年間的天氣數(shù)據(jù)和模型訓(xùn)練，AI現(xiàn)在可以以驚人的準(zhǔn)確性預(yù)測颶風(fēng)的路徑

來源：ALEX GERST/NASA

90、百億億次超級計(jì)算時(shí)代的來臨

美國Frontier計(jì)算機(jī)成為首臺(tái)向科學(xué)用戶開放的公認(rèn)百億億次級計(jì)算機(jī)，它能以每秒一百億億次運(yùn)算的速度解決從氣候到材料等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。通過Frontier，研究人員能夠?qū)蓚€(gè)理論框架聯(lián)合起來，以幾乎完美的精度預(yù)測材料中多達(dá)60萬個(gè)電子的行為，而以前的計(jì)算大約只能處理1,000個(gè)電子。這使得該團(tuán)隊(duì)能夠模擬鎂合金中缺陷的形成、生長和移動(dòng)，這一進(jìn)展有助于推動(dòng)超輕材料的發(fā)展，用于研發(fā)更節(jié)能的汽車和飛機(jī)。研究人員也利用Frontier提高了美國能源部全球氣候模型的分辨率。這是有史以來第一個(gè)能夠融入整個(gè)地球范圍內(nèi)云的形成的物理模型，預(yù)計(jì)這一進(jìn)展將極大提升氣象預(yù)測。人們對超級計(jì)算的探索才剛剛開始。明年，新的百億億次級超級計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將在美國加利福尼亞州和德國上線，法國和日本的其他超級計(jì)算機(jī)也將緊隨其后，人們正以前所未有的規(guī)模打開科學(xué)之門。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜像美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Frontier這樣的百億億次級計(jì)算機(jī)為許多科學(xué)領(lǐng)域帶來了前所未有的計(jì)算能力

來源：Oak Ridge National Laboratory

91、全球首例非人靈長類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)

2023年5月4日，全球首例非人靈長類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京獲得成功。該試驗(yàn)在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)了介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂，標(biāo)志著我國腦機(jī)接口技術(shù)躋身國際領(lǐng)先行列。該試驗(yàn)是在前期介入式腦機(jī)接口動(dòng)物（羊）試驗(yàn)基礎(chǔ)上取得的進(jìn)一步成果，實(shí)現(xiàn)了介入式腦電信號從被動(dòng)采集到主動(dòng)控制的技術(shù)飛躍，突破了血管內(nèi)腦電信號采集、介入式腦電信號識(shí)別等核心技術(shù)。腦機(jī)接口技術(shù)可以將腦電信號轉(zhuǎn)換為控制指令，從而幫助運(yùn)動(dòng)功能障礙患者（如：腦卒中、漸凍癥等）與外部設(shè)備交互，提升生活質(zhì)量。在該技術(shù)研究過程中發(fā)現(xiàn)，侵入式腦機(jī)接口創(chuàng)傷大，例如美國馬斯克公司侵入式腦機(jī)接口試驗(yàn)猴已有多只死亡；非侵入式腦機(jī)接口易受大腦容積導(dǎo)體效應(yīng)的影響，腦電信號長期穩(wěn)定性差。而中國研究團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)的介入式腦機(jī)接口，通過介入手術(shù)將介入腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，無需開顱手術(shù)即可采集到顱內(nèi)腦電信號，相較于傳統(tǒng)侵入式和非侵入式腦機(jī)接口，兼顧了安全性、識(shí)別穩(wěn)定性。

圖｜研究團(tuán)隊(duì)正在開展介入式腦機(jī)接口控制機(jī)械臂試驗(yàn)

來源：南開大學(xué)

92、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出全新蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)一直難以建模，尤其是人們想要“反向操作”——將所需的功能轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，更是一個(gè)高難度挑戰(zhàn)。美國研究人員于2023年8月宣布將注意力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以更好地理解和設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。該方法將幾何深度學(xué)習(xí)與語言模型的兩種優(yōu)勢結(jié)合起來，不僅可預(yù)測現(xiàn)有蛋白質(zhì)特性，還可設(shè)想自然界尚未設(shè)計(jì)出的新蛋白質(zhì)。此次新模型通過對基本原理建模，將大自然發(fā)明的一切作為基礎(chǔ)，重新組合了這些自然構(gòu)建塊。團(tuán)隊(duì)在訓(xùn)練模型時(shí)，根據(jù)不同蛋白質(zhì)的功能來預(yù)測它們的序列、溶解度和氨基酸組成部分。然后，在收到新蛋白質(zhì)功能的初始參數(shù)后，模型發(fā)揮出創(chuàng)造力并生成了全新的結(jié)構(gòu)。

圖｜設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)生物材料的可視化示例

圖片來源：馬庫斯·比勒/《應(yīng)用物理學(xué)雜志》

93、AI模擬芯片

《自然》2023年8月23日發(fā)表的研究報(bào)道了一種能效為傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)芯片14倍的人工智能（AI）模擬芯片。該技術(shù)或能突破當(dāng)前AI開發(fā)中因算力性能不足和效率不高而遇到的瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)此次開發(fā)了一個(gè)14納米的模擬芯片，在34個(gè)模塊（tile）中含有3500萬個(gè)相變化內(nèi)存單元。研究團(tuán)隊(duì)用兩個(gè)語音識(shí)別軟件在語言處理能力上測試了該芯片的效率，這兩個(gè)軟件分別是一個(gè)小網(wǎng)絡(luò)（谷歌語音命令）和一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)（Librispeech語音識(shí)別），并在自然語言處理任務(wù)上與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比。小網(wǎng)絡(luò)的性能和準(zhǔn)確率與當(dāng)前的數(shù)字技術(shù)相當(dāng)。對于更大的Librispeech模型來說，該芯片能達(dá)到每秒每瓦12.4萬億次運(yùn)算，系統(tǒng)性能估計(jì)最高能達(dá)到傳統(tǒng)通用處理器的14倍。

圖｜在檢測板上的14納米模擬AI芯片

來源：雷恩·萊文/《自然》網(wǎng)站

05

生態(tài)能源、交通與建設(shè)工程

一

生態(tài)與能源

94、全球最大實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆開始運(yùn)行

歐洲和日本共同建造和運(yùn)營的核聚變反應(yīng)堆JT-60SA正式投入運(yùn)行。JT-60SA為托卡馬克裝置，位于日本，高15.5米，可以容納135立方米的等離子體。在國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)建成之前，它是目前全球最大的核聚變反應(yīng)堆。核聚變是指輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核，同時(shí)放出巨大能量的過程，其原材料資源豐富，且無污染排放。因此可控核聚變被一直認(rèn)為是人類解決能源問題的重要出路，視為人類“終極能源”。當(dāng)前可控核聚變技術(shù)路線主要有三種，分別為重力場約束核聚變、激光慣性約束核聚變和磁約束核聚變。其中，磁約束核聚變目前研究的裝置包括托卡馬克、仿星器、反向場箍縮及磁鏡等。托克馬克被譽(yù)為“人造太陽”，其裝置的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。JT-60SA只使用氫和氘開展離子體控制實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是將氣體加熱到2億攝氏度成為等離子體，再使用由28個(gè)超導(dǎo)線圈組成的強(qiáng)大磁鐵系統(tǒng)將等離子體限制約100秒。這一成果入選兩院院士評選的“2023年世界十大科技進(jìn)展新聞”。

95、全球首座第四代核電站投產(chǎn)

2023年12月6日，中國具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球首座第四代核電站——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程在穩(wěn)定電功率水平上正式投產(chǎn)，轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著我國在高溫氣冷堆核電技術(shù)領(lǐng)域已處于全球領(lǐng)先地位。目前，石島灣高溫氣冷堆核電站首臺(tái)（套）設(shè)備達(dá)2200多臺(tái)（套），創(chuàng)新型設(shè)備有600余臺(tái)（套），設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到93.4%。核電站的商運(yùn)投產(chǎn)，對促進(jìn)我國核電安全發(fā)展、提升我國核電科技創(chuàng)新能力等具有重要意義和積極影響。這一成果入選兩院院士評選的“2023年中國十大科技進(jìn)展新聞”。

圖｜華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程外景

圖片來源：中國華能，孫文湛 攝

96、尋找天然氫源的熱潮

2023年我們見證了一場能源熱潮的開始。與石油不同，這場熱潮基于地球內(nèi)部自然產(chǎn)生的氫氣，這種氣體可能會(huì)成為氣候的解藥，而不是毒藥?？碧疥?duì)現(xiàn)在在除南極洲以外的每個(gè)大陸都發(fā)現(xiàn)了大量氫氣儲(chǔ)備的跡象。九月份，美國啟動(dòng)了相關(guān)研究聯(lián)盟以及一項(xiàng)價(jià)值2,000萬美元的天然氫研發(fā)計(jì)劃。同時(shí)，美國研究機(jī)構(gòu)一項(xiàng)未發(fā)表的研究表明，地球上可能儲(chǔ)存有1萬億噸氫氣，足以滿足未來數(shù)千年燃料和肥料不斷增長的需求。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜美國北卡羅來納州沿海的激光雷達(dá)地圖上有數(shù)公里寬的圓形凹陷，其中可能包含地底的氫氣滲漏

來源：Viacheslav Zgonnik; JAMES CAVALLINI/SCIENCE SOURCE

97、地球的碳泵正在減速運(yùn)行

2023年，人們發(fā)現(xiàn)南極底部水溫升高，體積縮小，這兩個(gè)跡象表明洋流的流速減緩，且使得上方較溫暖的水體能夠侵入。更直接的證據(jù)來自一項(xiàng)于2023年3月發(fā)表在《通訊-地球與環(huán)境》雜志的研究。研究人員將該地區(qū)歷史船只測量的有限記錄輸入到氣候模型中，結(jié)果顯示自上世紀(jì)70年代以來，環(huán)流流速已減緩了多達(dá)20%。隨后在五月，一項(xiàng)發(fā)表在《自然氣候變化》上的研究利用船只和浮標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，認(rèn)為從1992年到2017年深層水流速度減緩了近30%。該研究成果入選“《科學(xué)》2023年度十大突破”。

圖｜威德爾海（Weddell Sea）的濃密咸海水有助于推動(dòng)南大洋的水向深層循環(huán)。然而，來自南極洲的冰川融水似乎正在減緩洋流的流速。

來源：A. Trayler-Smith/Greenpeace/Panos/Redux

98、世界首個(gè)全鏈路全系統(tǒng)空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)落成啟用

空間太陽能電站（SSPS）是解決能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的終極答案之一。工程院旗艦刊物《Engineering》于2023年11月30日系統(tǒng)報(bào)道了中國科研團(tuán)隊(duì)完成的逐日工程——世界首個(gè)全鏈路、全系統(tǒng)SSPS地面驗(yàn)證系統(tǒng)歐米伽SSPS。SSPS創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案、理論創(chuàng)新、技術(shù)突破、工程實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。遠(yuǎn)距離高功率微波無線傳能效率（距離55m，發(fā)射2081瓦，波束收集效率87.3%，DC-DC傳輸效率15.05%）與功質(zhì)比等主要技術(shù)指標(biāo)世界領(lǐng)先。逐日工程突破的遠(yuǎn)距離高功率微波無線傳能技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。在太空，可助力構(gòu)建空間能源網(wǎng)、空間充電樁，破解空間算力、星上信息處理、空間攻防及超遠(yuǎn)程探測的供電難題。在陸海空，可為空中飛艇、無人機(jī)群、海上移動(dòng)平臺(tái)、災(zāi)害及邊遠(yuǎn)區(qū)域無線供電。

99、首次在磁約束聚變等離子體中實(shí)現(xiàn)了氫—硼聚變實(shí)驗(yàn)

日美科學(xué)家攜手，首次在磁約束聚變等離子體中實(shí)現(xiàn)了氫—硼聚變實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)表示，盡管最新試驗(yàn)沒有產(chǎn)生凈能量增益，但它證明了無中子核聚變的可行性，使制造更清潔的聚變反應(yīng)堆成為可能。相關(guān)研究刊發(fā)于最新一期《自然通訊》雜志。科學(xué)家們在大型螺旋裝置中進(jìn)行了氫—硼核聚變，并借助探測器，測量出了反應(yīng)產(chǎn)物：氦核（α粒子）。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為氫—硼是最清潔、最具成本競爭力的聚變?nèi)剂?，因?yàn)樗粌H原料豐富，而且“實(shí)現(xiàn)了更清潔的聚變反應(yīng)堆的概念，反應(yīng)產(chǎn)物僅三個(gè)α粒子?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)指出，他們設(shè)計(jì)的緊湊型線性裝置使用了先進(jìn)的加速器束驅(qū)動(dòng)場反位形（FRC）。FRC是通用的，可適應(yīng)所有目前可用的聚變?nèi)剂?，包括氫—硼、氘—氚和氘—氦?等。該裝置占地緊湊，并有可能利用一種更高效的磁約束方法。與托卡馬克裝置相比，新方法將獲得高達(dá)100倍的功率輸出。研究團(tuán)隊(duì)指出，最新研究沒有產(chǎn)生凈能量增益，但它證明了無中子核聚變的可行性及氫—硼核聚變反應(yīng)的潛力。盡管制造氫—硼聚變堆芯的挑戰(zhàn)比氘—氚更大，但反應(yīng)堆的工程設(shè)計(jì)將簡單得多。預(yù)計(jì)將在2025年左右在其下一個(gè)反應(yīng)堆“哥白尼”上演示凈能量增益，本世紀(jì)30年代將建成第一座氫—硼聚變發(fā)電廠并連接到電網(wǎng)。

圖｜TAE公司的諾曼反應(yīng)堆

來源：TAE公司

圖｜在日本大型螺旋裝置的扭曲“腸道”內(nèi)，每秒鐘都會(huì)發(fā)生數(shù)萬億次氫—硼聚變反應(yīng)

來源：日本國立聚變科學(xué)研究所/SCIENCE SOURCE

二

建設(shè)工程

100、構(gòu)成全球最大清潔能源走廊

位于中國金沙江下游干流的白鶴灘水電站大壩為300米級特高混凝土雙曲拱壩，在國際上首次全壩使用低熱水泥混凝土澆筑。電站安裝全球首批16臺(tái)單機(jī)容量百萬千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，引領(lǐng)水力發(fā)電進(jìn)入單機(jī)百萬千瓦新時(shí)代。白鶴灘水電站與三峽工程、葛洲壩工程、烏東德水電站、溪洛渡水電站、向家壩水電站，構(gòu)成了中國長江上跨越1800千米的全球最大清潔能源走廊。

李萬，上海科學(xué)院科技發(fā)展部部長，研究員；鄒蕓（上?？茖W(xué)院）；齊欣（上海社會(huì)科學(xué)院）。

來源 | 三思派