2023年世界科技进展100项

2023年科技发展在世界范围内取得了长足的进展，本文系统梳理了全球范围内科技成果100项，涵盖“生命、生物、医药健康”、“深空、深海、新空间拓展”、“物质、材料、化学”、“智能、信息、通信”以及“生态能源、交通与建设工程”等五个方面内容。表明在新科技革命与产业变革背景下，诸多领域正在孕育和产生群体性突破，也必将来带颠覆性影响，为新质生产力注入强大的动能。

01

生命、生物、医药健康

一

基因、细胞、胚胎

1、人类泛基因组首张草图发布

人类泛基因组参考联盟发布了首张人类泛基因组参考草图，以及两个以这一参考图为基础的新遗传学研究发现。“泛基因组”草图是包括非洲、亚洲、美洲和欧洲的全球多地47人的脱氧核糖核酸（DNA）合集，地域和种族构成更多元化。与使用原始的线性参考基因组相比，“泛基因组”能够识别出更多的基因结构变异。该研究成果入选两院院士评选的“2023年世界十大科技进展新闻”。

图｜人类泛基因组首张草图

2、人类Y染色体组装与分析完成

《自然》杂志8月发表的两篇论文公布了人类Y染色体的组装和分析。这项全球100多名科学家参与的研究，报道了完整的人类Y染色体的62460029个碱基对序列。这次的组装纠正了当前人类参考基因组组装中关于Y染色体的多个错误，同时还向参考基因组中添加了逾3000万个碱基对，揭示了多个基因家族的完整结构，并确认了41个新的蛋白质编码基因。填补了当前Y染色体参考的诸多空白，带来了对不同人群演化和变异的见解。

图｜Y染色体是人类24条染色体中最后一个完成测序的

图片来源：美国国家人类基因组研究所(NHGRI)

3、 绘制迄今最全人脑细胞图谱

刊发在美国《科学》《科学进展》和《科学-转化医学》杂志上的21篇论文公布并阐释了迄今最全的人类大脑细胞图谱。多国科学家参与的这一系列研究揭示了3000多种脑细胞类型的特征，将有助于深入理解人类大脑的独特之处并推进脑部疾病和认知能力等研究。它代表了科学界在解开大脑奥秘方面的重大突破，为未来的神经科学研究开辟了新方向。这一成果入选两院院士评选的“2023年世界十大科技进展新闻”。

图｜迄今最全人脑细胞图谱相关论文发表在《科学》上

4、 全球首张昆虫大脑“地图”绘制完成

多国科学家首次完整地对“果蝇幼虫”的大脑连接组进行重建，绘制出第一张完整的昆虫大脑图谱。该研究使用高分辨率电子显微镜扫描了果蝇幼虫的数千张大脑切片，在计算机分析的辅助下，最终生成的图谱包含3016个神经元和54.8万个突触。这是有史以来第一张昆虫大脑“地图”，也是神经科学领域的一项里程碑式成就。该研究成果入选两院院士评选的“2023年世界十大科技进展新闻”。

图｜全球首张昆虫大脑图谱

5、 破解记忆形成的关键环节

短期记忆形成于海马体，而稳定的长期记忆则是储存在大脑皮层中。但记忆从海马体向大脑皮层转移的中间过程，却是个长期未解的难题。美国科学家团队开发出一项全新的单细胞分辨率多区域成像技术，能够连续数周观测海马体与皮层中间区域神经元，实现了对该区域神经元活动的连续追踪。由此，这项研究首次解析出长期记忆转移的中间过程，发现此前往往被忽略的前端丘脑是处理、巩固记忆的关键中转站。

图｜《细胞》封面展示了记忆储存的过程

绘图：Julia Kuhl；来源：Cell官网

6、 发现大脑“有形”生物钟的存在及其节律调控机制

中国科学家合作研究发现了大脑“有形”生物钟的存在。研究团队发现大脑生物钟中枢SCN神经元长有“天线”样的初级纤毛，每24小时伸缩一次，如同生物钟的指针，通过它可实现对机体生物钟的调控。初级纤毛可能通过调控SCN区神经元的“同频共振”调节节律，其机制与Shh信号通路密切相关。该“有形”生物钟的发现，对于理解生物钟的构造以及分子层面与细胞层面生物钟的联系具有重要意义，为节律调控新药研发开辟了新的路径。这一成果入选2023年度“中国科学十大进展”。

图｜大脑“有形”生物钟

来源：生物世界

7、 雄性小鼠产生功能性卵细胞

在2023年的一篇《自然》论文中，日本研究团队利用干细胞和染色体工程技术设计了一种细胞“性转”策略，引导雄性小鼠的干细胞转换性别并形成可受精的卵细胞。部分卵细胞成功受精，最终诞生出健康可育的后代。这项进展标志着生殖生物学的一个里程碑，是一项能启发或推动未来生育力的研究。

图｜卵细胞资料图

8、用干细胞人工合成人类胚胎

来自英国、美国的多个研究团队在“人工合成的人类胚胎模型”上取得了突破性进展。采用不同的策略方法，科学家们实现了在无需精子和卵子的情况下，完全利用人类干细胞，在体外制造出与人类胚胎十分类似的组织结构。这类“人工合成胚胎”可模拟人类胚胎最初两三周的发育过程与关键特征，为阐明早期人类发育带来前所未有的机会，有助于更好地理解出生缺陷的致病机理并找到避免缺陷的策略。

图｜来自其中一项研究的人工胚胎模型展现出类似于植入后人类胚胎外胚层的结构

来源：剑桥大学

9、揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制

中国研究团队通过搭建生理性和病理性衰老研究体系，结合高通量、高灵敏性和多维度的多学科交叉技术，揭示在衰老过程中，表观遗传“封印”的松动将导致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，并进一步驱动衰老的“程序化”和“传染性”。这项工作提出了古病毒的“复活”驱动衰老及相关疾病的新理论，为理解衰老的内在机制和发展衰老干预策略提供了新依据，为科学评估和预警衰老、防治衰老相关疾病以及积极应对人口老龄化提供新思路，这一成果入选2023年度“中国科学十大进展”。

10、揭示人类细胞DNA复制起始新机制

中国研究团队解析了人源细胞系中纯化得到了MCM-DH结合DNA的复合物，并使用冷冻电镜技术以2.59埃的高精度解析出了这一复制前复合物（pre-RC）的结构。根据结构信息，MCM-DH复合物直接降低了DNA双链的稳定性，并将位于两个六聚体结合处的双链DNA解旋，形成一个初始开口（IOS）。而干扰或破坏IOS，所有MCM2-7无法稳定结合在DNA上，导致DNA复制启动被抑制。这一发现对癌症治疗有重要的应用价值。因为癌症细胞在生长过程中必须进行DNA复制。在不影响正常细胞运作的情况下，通过阻止癌细胞在DNA上组装MCM双六聚体，将会是一种全新的、有效的、高度特意针对癌症细胞的抗癌疗法，为抗癌药物的研发开辟了新的道路。这一成果入选2023年度“中国科学十大进展”。

11、新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵

中国科学家实现了基因组编辑在方法建立、技术研发和工具应用的多层次创新。研究团队首次运用人工智能辅助的结构预测建立了蛋白聚类新方法，率先将基于结构分类的理念引入工具酶挖掘领域，并基于此开发了系列具有重要应用价值的新型碱基编辑器和我国完全拥有自主产权的、首个在细胞核和细胞器中均可实现精准碱基编辑的新型工具CyDENT。此外，研究团队开发了首个植物大片段DNA精准定点插入技术，为高效作物育种和植物合成生物学奠定了技术基础。研究团队还利用基因组编辑实现了作物性状的精准调控。该成果有望进一步拓宽基因组编辑的育种应用，助力作物种质创新，这一成果入选2023年度“中国科学十大进展”。

12、科学家阐明嗅觉感知分子机制

中国科学家应用冷冻电镜技术解析了TAAR家族成员之一的小鼠TAAR9（mTAAR9）受体在4种不同配体结合条件下与Gs/Golf（嗅觉特异性Gα）蛋白三聚体复合物的结构，进一步结合药理学分析揭示了mTAAR9感知配体后被激活的分子机制。该研究阐释了II类特异嗅觉受体感知气味的分子机制，为嗅觉受体家族识别配体奠定了理论基础，对开发靶向嗅觉受体的新药也有重要意义。相关研究成果5月24日发表于《自然》。

13、揭示光感知调控血糖代谢的神经机制

中国科学研究团队发现光暴露显著降低小鼠的血糖代谢能力。利用基因工程手段，研究团队发现光降低血糖代谢由ipRGC感光独立介导，光信号经由视网膜神经节细胞（ipRGC），至下丘脑视上核、室旁核，进而到达脑干孤束核和中缝苍白核，最后通过交感神经连接到外周棕色脂肪组织，并最终确定了光降低血糖代谢的原因，是光经由这条通路抑制棕色脂肪组织消耗血糖的产热。进一步研究表明，光同样可利用该机制降低人体的血糖代谢能力。这项研究发现了全新的“眼-脑-外周棕色脂肪”通路，回答了长久以来未知的光调节血糖代谢的生物学机理，拓展了光感受调控生命过程的新功能，为防治光污染导致的糖代谢紊乱提供了理论依据与潜在的干预策略。这一成果入选2023年度“中国科学十大进展”。

图｜光感受调节血糖代谢机制

14、人体免疫系统发育图谱绘制

中国科研人员成功绘制了覆盖组织范围最广、时间跨度最长、采样密度最高的人体免疫系统发育图谱，有望推动全球免疫学和发育生物学领域的发展，成果已在线发表于《细胞》。科研人员利用自动化、高通量的合成生物研究大科学装置，自主搭建单细胞转录组测序平台，对发育中的免疫细胞开展“解码”，并以这样的海量数据为基础绘制人体免疫系统发育图谱。同时，他们还发现了免疫细胞的两个新类型：广泛存在于多个组织脏器、促进血管生成的巨噬细胞，以及存在于中枢神经系统之外的类小胶质细胞。这一成果入选两院院士评选的“2023年中国十大科技进展新闻”。

图｜构建人类免疫系统发育时空图谱

图片来源：中国科学院深圳先进技术研究院

15、肠道微生物可能会影响人的运动动机

研究人员发现，肠道微生物会影响小鼠的运动水平。消耗肠道微生物组阻止了运动后小鼠大脑中多巴胺的增加，还导致老鼠运动量减少，更容易筋疲力尽。这项研究揭示了肠道微生物如何提高大脑中的多巴胺水平。如果在人类身上得到证实，这一发现可能有助于提升人们的锻炼动机。

图｜肠道微生物会影响小鼠的运动水平

16、从头合成生产出世界上最长的寡核苷酸

美国生物科技公司宣布成功从头合成出世界上最长的DNA寡核苷酸，该序列长达1005个碱基，编码了可用于基因治疗的AAV载体的一部分。Ansa采用酶法DNA合成技术，技术由与单个脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）分子连接的独立于模板的末端脱氧核苷酸转移酶（TdT）实现。TdT-dNTP偶联物允许快速可控地将单核苷酸添加到延伸的DNA分子中。这种方法克服了基于亚磷酰胺的DNA合成技术在长度和准确性方面的限制。

17、作物主效耐碱基因及其作用机制首次揭示

中国科学家以耐盐碱作物高粱为材料，首次发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。大田实验证明，该基因可显著提升高粱、水稻、小麦、玉米和谷子等作物在盐碱地的产量，有望大幅提升盐碱地综合利用水平。相关成果3月24日在《科学》和《国家科学评论》发表。研究团队对高粱遗传资源进行了全基因组大数据关联分析，发现一个主效耐碱基因AT1。该基因与水稻的粒形调控基因GS3同源，研究团队还揭示了作物耐盐碱的分子机制。这一成果入选两院院士评选的“2023年中国十大科技进展新闻”、2023年度“中国科学十大进展”。

图｜吉林白城，种上AT1/GS3改良过水稻的实验田

来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所

二

恶性疾病的预防与治疗

18、抗体疗法在减缓阿尔茨海默病方面取得进展

美国监管机构批准了一种药物，该药物通过解决疾病的潜在生物学问题，明显减缓了阿尔茨海默病患者认知能力的下降。在一项新的为期18个月的关键试验中，与安慰剂组相比，名为lecanemab的抗淀粉样单克隆抗体，将认知能力的丧失减缓了27%。另一种同样针对脑淀粉样蛋白的抗体治疗药物多奈单抗，在略有不同的患者群体中，与安慰剂组相比，将认知能力下降的速度减缓了35%。该研究成果入选“《科学》2023年度十大突破”。

图｜新的抗体疗法可能会减缓阿尔茨海默病患者大脑的神经退行性病变

来源：JAMES CAVALLINI/SCIENCE SOURCE

19、血液检测用于阿尔茨海默症的早期诊断

阿尔茨海默病的一种早期表现是名为β淀粉样蛋白（aβ）的有毒聚集体的形成，这种聚集体可以在症状出现和其他已知疾病标志物形成前的十多年就开始形成。美国科学家开发了一种检测患者血液中有毒Aβ寡聚体的方法，可以在阿尔茨海默氏症症状出现之前检测出有毒的aβ聚集体。这一发现或许有助于阿尔茨海默症和其他神经退行性疾病的早期诊断，被认为是早期诊断阿尔茨海默氏症和其他痴呆症的几种有前景的方法之一。

20、抗击疟疾的新希望

经过大规模的评估，全球第一种抗疟疾疫苗Mosquirix确能显著降低幼儿的死亡率。现在，随着世界卫生组织的批准，名为R21（或MatrixM）的第二种疫苗也加入了抗击疟疾的行列。它的设计与Mosquirix类似，但生产成本更低、产量更大。它有助于填补疟疾疫苗供需之间的巨大缺口，每年能防止数万名儿童的死亡。世卫组织表示R21有望在2024年为人们提供广泛接种。该研究成果入选“《科学》2023年度十大突破”。

图｜肯尼亚基里菲县医院的产妇儿科病房住有许多患疟疾的儿童。研究人员在该城市进行了R21疫苗的临床试验

来源：Luis Tato/eyevine/Redux

21、CAR-T疗法成功治愈自身免疫病

CAR-T细胞疗法已经成为治疗血液癌症的革命性疗法，现在，这类疗法又向自身免疫病发起了挑战。抗合成酶抗体综合征（ASS）是一类严重的肌炎，这种由免疫系统故障引发的疾病可激发肺间质病变，因此病情进展迅速、死亡率高。在《柳叶刀》杂志的论文中，德国研究团队利用CAR-T细胞疗法成功治愈一名ASS患者。停用免疫抑制药后，患者的症状依然在持续好转。这也是该团队在治愈系统性红斑狼疮后，利用CAR-T细胞疗法治愈的第二种自身免疫病。

图｜CAR-T细胞疗法

来源：药明康德内容团队

22、全球首款CRISPR基因编辑疗法获批上市

一款基于CRISPR基因编辑技术的疾病疗法，获得了英国药品与保健品管理局（MHRA）的有条件上市许可，成为全世界首款获得监管机构批准上市的CRISPR基因编辑疗法。这款商品名为Casgevy的疗法获批用于治疗输血依赖型β-地中海贫血以及镰刀状细胞贫血病这两种遗传性血液疾病。在长期随访中，接受治疗的患者相关疾病症状消失，并且不再接受输血需求，基因编辑治疗让他们重获新生。这把“基因剪刀”已经成为人类对抗疾病的有力武器。

图｜CRISPR基因编辑

来源：药明康德内容团队

23、mRNA疫苗成功应用于胰腺癌

美国研究人员成功开发了个性化的mRNA癌症治疗疫苗，能够帮助免疫细胞识别患者胰腺癌细胞上的特异性新抗原。在这项研究中，研究人员对成功切除胰腺肿瘤的18名患者进行了深入的分析，让每位患者接受了针对其特定蛋白质的个性化疫苗。这些疫苗在半数参与者中引发了强烈的抗肿瘤免疫反应。一年多后，这些患者的癌症仍然没有复发。

图｜胰腺癌细胞显微镜图像

24、GLP-1受体激动剂引领新型减肥药开发

GLP-1受体激动剂早已获批用于2型糖尿病的治疗，而近年来，GLP-1相关药物与肥胖症的关系开始受到关注。以司美格鲁肽、Zepbound为代表的GLP-1药物相继获美国FDA批准用于肥胖症治疗；一款名为retatrutide的三靶点药物更是在2023年的临床试验中取得11个月平均减重24.2%的成绩。这些创新性减肥疗法有望带来更多的治疗选择和更好的治疗效果。该研究成果入选“《科学》2023年度十大突破”。

图｜GLP-1激动剂当选《科学》期刊的2023年度科学突破

绘图：Stephan Schmitz；图片来源：Science官网

25、致幻剂能够帮助创伤后应激障碍和抑郁症的治疗

来自美国研究人员根据非洲传统迷幻植物药物伊博格碱（ibogaine）的药理学原理，开发出两种可能用于治疗成瘾和抑郁症的新候选药物。在非常低的剂量下，这两种新的化合物能够减轻小鼠这两种疾病的症状。相关研究结果于发表在Cell期刊上。科研人员从伊博格碱对5-羟色胺转运体（SERT）的影响中得到启发，SERT也是氟西汀（fluoxetine, 商品名为Prozac）等SSRI抗抑郁药的作用靶标。研究人员虚拟地筛选了2亿种分子结构，以找到与伊博格碱相同方式阻断SERT的分子。一轮计算对接将这种虚拟分子文库从2亿种分子缩减到只有49种，其中36种可以被合成。经过对这些分子进行了测试，发现其中的13种分子对SERT有抑制作用。

图｜新型 SERT 抑制剂比伊博加因更有效，更具有构象和靶点选择性

图片来源：Cell官网

26、脑-脊髓接口让瘫痪者恢复运动能力

瑞士科学家开发了一种脑-脊髓接口（BSI），通过解析大脑发出的信号并刺激参与行走的脊髓区域，帮助因脊髓损伤而四肢瘫痪的患者恢复运动能力。一名已经瘫痪12年的患者在植入该设备后，成功地通过自己的意识夺回了对双腿主要关节的控制权。经过康复训练，这名患者已经重新能够自然站立和行走，甚至爬楼梯、跨越障碍。研究还发现，该装置还能促进神经恢复。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜借助这套装置，患者可以在拐杖的帮助下自然行走

图片来源：洛桑大学附属医院/Gilles Weber

三

器官移植与健康生活

27、异种器官移植里程碑

美国研究团队成功地将经过基因编辑的猪肾脏移植到人体后，肾脏可以持续运作一周，并且提供机体运转所需肾功能。研究人员发布了阶段性进展：将基因编辑的猪肾脏移植到一位脑死亡者体内后，肾脏存活并发挥功能长达32天，这也是猪肾脏首次在人体正常工作超过一个月。在近期的《自然》论文中，接受人源化猪肾的食蟹猴在移植后存活了超过2年，验证了长期存活的潜力。

图｜|研究团队正在去除猪肾脏多余的组织，准备用于人体移植

图片来源：Joe Carrotta for NYU Langone Health）

28、用于复杂身体部位的3D工程皮肤移植

美国研究人员成功培育出人手形状的新皮肤，而且比标准的工程皮肤移植物更加结实。与标准、平面培养移植相比，3D皮肤更耐运动时所产生的压力，同时具备更高水平的细胞外基质蛋白，支持蛋白质在成熟的皮肤中发现。这项新技术使自定义的3D移植物在尽可能少的缝合下得以被完整移植，有可能帮助治愈烧伤和其他复杂身体部位的损伤，减少创伤和疤痕。

图|人手形状的3D工程皮肤

29、活体组织中“长出”电极

瑞典研究人员通过注入以酶作为“组装分子”的凝胶，再利用人体分子作为触发器，首次成功地在活体组织中培育出电极。研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中，验证了这一过程。凝胶在两种生物体中聚合并在组织内“生长”出了电极。2023年2月发表在《科学》杂志上的这项成果，为在生物体中形成完全集成的电子电路铺平了道路，提供了通过神经系统电信号或调节神经回路就能治疗疾病的途径。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜活体组织中培育电极在微制造电路上测试的可注射凝胶

图片来源：托尔·巴克希德/《科学》

30、人类眼球首次移植成功

美国研究人员成功完成了世界上首次眼球移植手术。手术过程中，外科团队从眼球供者的骨髓中提取成体干细胞，将其注射到受者的视神经中，以期能取代受损的细胞并保护视神经。在手术后的6个月里，移植的眼球显示出明显的健康迹象，血管功能良好。尽管这只移植的眼球尚未恢复视力，但这一突破性成果将有助于相关医学领域的发展。目前该团队正在跟进监测，并期待找到这只眼球恢复视力的所有可能。这一成果入选两院院士评选的“世界十大科技进展新闻”。

图丨首个拥有移植眼球的人类

31、可穿戴式薄膜热电制冷器帮助截肢者感知温度

美国研究人员开发了世界上最小、强度最大、速度最快的制冷设备——可穿戴式薄膜热电制冷器（TFTEC）。他们与神经科学家合作，帮助截肢者通过他们的幻肢感知温度。TFTEC只有约1毫米的厚度，重量只有0.05克，类似于一条胶带，可在不到1秒的时间内提供高强度冷却。它的能源效率比当今最常见的热电设备高出两倍，用于制造发光二极管的半导体工具也可轻松制造这种设备。这为各种应用提供了新的可能，例如改进假肢、增强现实中的触觉模式以及用于疼痛管理的热疗法。其还具有各种潜在的工业应用，如用于卫星上的能量收集等。该项成果发表在《自然-生物医学工程》杂志上。

图丨一名假肢测试员使用新设备来确定哪一罐可乐最冷

图片来源：约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室

32、首个按需服用的男性避孕药

美国科学家开发了一种名为TDI-11861的化合物，这种化合物能有效抑制男性体内的可溶性腺苷酸环化酶（SAC）去触发精子运动，使小鼠和人类精子暂时丧失功能，相关研究发表在《自然-通讯》期刊上。SAC抑制剂使用后可有效避免受孕，且经过治疗后24小时，男性生育能力能恢复正常。它可以被开发成一种安全、有效、暂时的男性避孕药。

图丨具有更长停留时间的一种有效的sAC抑制剂

图片来源：Nature官网

四

考古与远古生命生态

33、接近美洲远古人类定居的历史真相

此前人们认为，最早的美洲移民是通过曾经连接白令海峡的陆地从亚洲迁徙而来，大约在16,000年前沿着太平洋海岸向南行进。但在2023年，研究人员验证了另一个引人注目的结论，将这一时间提前了至少5,000年。美国研究人员使用了来自陆生植物的花粉和嵌入在足迹之间以及下方的沉积物中的石英颗粒重新确定了足迹的年代。该研究成果入选“《科学》2023年度十大突破”。

图｜在美国新墨西哥州一座古老湖泊沿岸留下的足迹，或许证明人类抵达美洲的时间比考古学家所认为的早5,000年

来源：NATIONAL PARK SERVICE

02

深空、深海、新空间拓展

34、巨型黑洞合并产生的星际信号在无声轰鸣

2023年，天体物理学家捕捉到了人们长期寻找的一种微弱的宇宙轰鸣声。它事实上是宇宙中两个超大质量的黑洞相互环绕、紧密摩擦所产生的引力波，数目可能多达几百万个。这一观测是迄今为止对这些庞大黑洞双星系统存在的最有力支持，其也体现了利用来自遥远恒星的信号来探测引力波是一种强有力的观测手段。该研究成果入选“《科学》2023年度十大突破”。

图｜一对超大质量黑洞（左上）发射出引力波，在时空结构中荡漾（艺术想象图）

图片来源：北美纳赫兹引力波天文台

35、早期星系改变宇宙的确凿证据

国际合作团队使用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）找到了证明早期星系引发早期宇宙再电离的有力证据。再电离发生在大爆炸之后大约10亿年，主要是指氢气的离子化。研究人员使用JWST的近红外照相机查看了古老类星体发出的光。这些光此前穿过了早期宇宙离子化的气泡。研究人员发现，星系位置与气泡之间存在关联，这意味着这些早期星系发出的光确实是再电离的成因。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜非常明亮的活跃超大质量黑洞，就像一个巨大的手电筒，有六个突出的衍射尖峰

图片来源：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang （STScI）

36、卫星首次成功向地球传送太阳能

美国科学家宣布，1月发射的一颗卫星已将微波束的能量导向太空中的目标，甚至还将一部分能量发送到地球的探测器上。微波发射器是一个由32个平面天线组成的阵列，通过改变发送到不同天线的信号的时间，研究人员可以控制阵列的波束。作为一种清洁、可再生的能源技术，天基太阳能利用技术被认为是实现零碳排放的可靠途径。这一成果入选两院院士评选的“世界十大科技进展新闻”。

图｜卫星首次成功向地球传送太阳能

37、“中国天眼”发现纳赫兹引力波存在关键证据

利用被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜，中国研究团队发现纳赫兹引力波存在的关键证据。这是纳赫兹引力波搜寻的一个重要突破，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关研究成果发表于《天文与天体物理研究》。这一重大科学突破对星系演化和超大质量黑洞研究具有深远影响，也为引力波天体物理学打开了全新的窗口。这一成果入选两院院士评选的“2023年中国十大科技进展新闻”。

图｜“中国天眼”全景

来源：新华社

38、全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭

7月12日，酒泉卫星发射中心，朱雀二号遥二运载火箭腾空而起。这是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，也是国内民商航天首款基于自主研制的液体发动机实现成功入轨的运载火箭，填补了国内液氧甲烷火箭的技术空白，意味着我国首款大推力液氧甲烷发动机通过飞行验证，标志着我国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。

图｜朱雀二号遥二运载火箭发射成功

来源：汪江波摄（新华社发）

39、全球光学时域巡天能力最强设备正式投入观测

2000多年前，墨子最早记录并解释了小孔成像现象。如今，以“墨子”命名的大视场巡天望远镜，让人们可以仰望同一片天空。目前全球光学时域巡天能力最强的墨子巡天望远镜在青海冷湖天文观测基地正式投入观测，每3个晚上能巡测整个北天球一次。利用墨子巡天望远镜，能够开展高能时域巡天观测和近地小天体监测预警。

图｜墨子巡天望远镜

来源：中国科学技术大学

40、世界最深、最大的极深地下实验室投入科学运行

位于四川凉山锦屏山隧道中部地下2400米处，中国锦屏地下实验室二期极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施土建公用工程完工，这意味着世界最深、最大的极深地下实验室正式投入科学运行。实验室将助力暗物质和核天体物理研究，帮助人类更好认识宇宙。

图｜中国锦屏地下实验室二期的粒子和天体物理氙探测实验PandaX-4T实验装置

来源：国投集团雅砻江流域水电开发有限公司

41、“拉索”发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子

“拉索”（LHAASO）首次记录了伽马暴万亿电子伏特光子爆发的全过程，探测到早期的上升阶段，由此推断喷流具有极高的相对论洛伦兹因子。“拉索”还看到了GRB 221009A（史上最亮伽马暴）的余辉在700秒左右出现了快速下降，从光变拐折的时间得到喷流的半张角仅有0.8度，这是迄今发现最窄的伽马暴喷流。“拉索”还精确测量了高能伽马射线的能谱，呈现单一的幂律，延伸至十万亿电子伏特以上，这是伽马暴观测到的迄今最高能量的光子。“拉索”的观测没有发现能谱变软现象，这对伽马暴余辉标准模型提出了挑战，意味着十万亿电子伏特光子可能产生于更复杂的粒子加速过程或者存在新的辐射机制。这一成果入选“2023年度中国科学十大进展”。

图｜高海拔宇宙线观测站“拉索”的广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）

任晖 摄

42、深空探测取得显著进展

美国持续开展火星探测，并为火星取样返回作准备。“毅力”（Perseverance）火星车在一个名为“三叉”（Three Forks）的区域内成功放置了第10份火星样品管，完成火星表面样品管“仓库”的建设工作。

在小行星探测方面，NASA首个载有从小行星贝努（Bennu）收集了岩石和尘埃的返回舱成功着陆。“灵神星”（Psyche）探测器发射，将对小行星带中的灵神星（16 Psyche）展开探测，这将是人类首次接近和探索M型（金属质）小行星。

天文观测方面，12月19日，NASA公布了“詹姆斯•韦伯”太空望远镜拍摄的有史以来最清晰的天王星照片，其中包括14颗天王星卫星。

中国科学家瞄准火星乌托邦平原南部丰富的风沙地貌，利用环绕器高分辨率相机、气象测量仪等开展了高分辨率遥感和近距离就位的联合探测，发现了着陆区风场发生显著变化的层序证据，并与火星中高纬度分布的冰尘覆盖层记录有很好的一致性，揭示了祝融号着陆区可能经历了以风向变化为标志的两个主要气候阶段。相关研究成果2023年7月7日发表于《自然》。

图｜ “毅力”完成存放的10份火星样品管位置

图｜ “詹姆斯•韦伯”太空望远镜拍摄的天王星照片

图｜ 火星全球影像图（墨卡托投影加方位投影图）

43、商业航天新进展

2023年，SpaceX旗下“猎鹰9号”和“重型猎鹰”可复用运载火箭共实施96次发射，全部成功，全球占比43%。发射质量达1195吨，全球占比80%；发射的卫星数量为2514颗（其中“星链”占1948颗），全球占比87%。依托强大的发射能力和低廉的发射成本，美国商业航天正在加速打造自己的低轨卫星互联网星座——“星链”。这将有助于解决目前城市基站没有覆盖的人与人之间互联互通的需求，构建一个万物互联的更智能的世界。

图｜“星链”示意图

03

物质、材料、化学

一

物质世界

44、首次实现单原子X射线探测

由多个机构的科学家组成的联合团队首次拍摄到了单原子X射线信号，相关研究5月31日刊登于《自然》。研究团队在X射线探测器内加入了一个由位于样品附近的尖锐金属尖端制成的专用探测器，当X射线照射到原子上时，核心能级的电子被激发，并通过重叠的原子/分子轨道隧穿到探测器尖端，获得的光谱能揭示原子的相关信息。这项突破将为X射线和纳米科学领域开辟新天地，这一成果入选两院院士评选的“世界十大科技进展新闻”、“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜单原子X射线首次探到的实验示意图

图片来源：物理学家组织网

45、首次发现富含中子铀同位素

日本科学家团队发现了一种以前未知的铀同位素——铀-241，其原子序数为92，质量为241，半衰期可能只有40分钟，这是自1979年以来科学家首次发现富含中子的铀同位素。研究小组指出，最新研究中使用的技术能帮助他们更好地理解与重元素相关的原子核的形状，有望修改现有建造核电站的模型，以及描述恒星爆炸行为的理论，最新方法还有助发现更多的新同位素。

图｜日本科学家首次造出氧-28，其有8个质子和20个中子

图片来源：卡洛斯·克拉里万/科学图片库

46、迄今最小粒子加速器问世

德国研究团队成功制造出了世界上最小的粒子加速器，其长度仅为0.2毫米，可以装在笔尖上。相关研究成果已发表在《自然》杂志上。这一设备是第一个能够快速且聚焦良好的产生电子束的微型加速器，可将电子加速到每秒10万公里。该加速器采用了光波来加速粒子，通过数千根2微米高的硅柱排列成两条平行线，形成了一个狭窄的电子束。这种新技术有望应用于医学领域，为医生提供新的治疗工具或为生物实验室提供小型消毒工具。这一成果入选两院院士评选的“世界十大科技进展新闻”。

图｜迄今最小粒子加速器

47、利用中微子研究质子结构

美国和加拿大科学家展示了如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。中微子是一种亚原子粒子，最出名的特征就是很少与物质发生相互作用。如何观测单个质子（氢原子核）散射的中微子的信号——要知道，这种信号淹没在束缚在碳原子核中的质子散射的庞大中微子背景中。为了解决这个问题，研究团队模拟了碳原子散射中微子的信号，并且小心地从实验数据中减去了这些背景信号。这项研究既有助于我们深入了解质子结构，也提供了一种进一步认识中微子与物质作用方式的新技巧。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜国际科学家合作组织MINERvA通过使用中微子研究质子的结构创造了历史。这项开创性的研究发表在《自然》杂志上，并在费米国家加速器实验室进行。

48、首次在实验室制造出反芳香性分子环氧乙烯

环氧乙烯是最小的反芳香性杂环化合物，也是星际环境中的一种关键活性成分，被认为是最神秘的有机瞬变分子之一，科学家们此前认为其不可合成。德美科学家发现了一种新方法，对极低温冰进行处理并借助转移到冰基质上的共振能量，在模拟深空分子云和恒星形成区域的实验室条件下，制造出了环氧乙烯，且通过一种高科技质谱工具观察到了该分子。研究团队指出，在如此极端环境内发现环氧乙烯意义非凡，它值得科学家们使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列和詹姆斯·韦布空间望远镜等，在宇宙中对其开展搜索。

图｜环氧乙烯结构图：白色（氢）、灰色（碳）和红色（氧）

49、量子计算机首次识别出单个核苷酸

日本科学家使用量子计算机，将单磷酸腺苷核苷酸与其他3种核苷酸分子区分开来，这是量子计算机首次应用于单分子测量，证明了其在基因组分析中大有潜力。最新研究有望使超快速基因组分析在药物发现、癌症诊断和传染病研究等领域大显身手。相关论文刊发于《物理化学杂志B》杂志。

图｜利用量子计算机鉴定单分子示意图

来源：大阪大学

50、反物质不会违反引力效应

国际合作组织证明反物质回应引力的方式与正常物质非常相似。物理学家使用ALPHA-g实验装置第一次直接观测到了下落中的反物质原子——由一个反质子和一个反电子构成的反氢原子。研究团队发现，凐灭发生的位置比施放反氢原子的位置低。即便考虑到反氢原子的热运动，还是能得出反氢原子下落的结论。这项研究打开了标准模型之外全新物理学理论的大门。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜ALPHA-g的管状闪烁体正在欧洲核子研究中心（CERN）组装

51、研究发现新分子磁体家族

单分子磁体（SMM）是单个分子或原子能够保持自旋力矩—磁化方向的材料。它们的状态可通过外部磁场来切换。俄罗斯研究人员发现，钴、铁和镍的非典型复杂化合物可能表现出单离子磁体的特性。这一研究成果有助于利用此类物质制造高效电子元件，存储超高密度信息，其容量是现代设备的一千倍。这将使开发设计具有所需特性的分子，找到增强所需技术特性的方法成为可能，并开发基于电子自旋特性的新技术，如量子计算设备。

图｜俄罗斯南联邦大学科学家发现，钴、铁和镍的非典型复杂化合物可能表现出单离子磁体的特性

52、新的茂金属化合物

日本与德国、俄罗斯的科学家们携手，成功开发出一种新型的茂金属化合物。这一突破性的研究成果已在《自然-通讯》杂志上发表。茂金属，以其多功能性和特殊的“三明治”结构而闻名，是一种有机金属化合物。这种化合物的独特之处在于其能够“夹心”许多不同的元素以形成各种化合物。由于其独特的化学性质和广泛的应用前景，茂金属获得了1973年诺贝尔化学奖。茂金属的多功能性源于其能够在分子中“夹心”多种元素。这使得它们在聚合物生产、血糖仪以及钙钛矿太阳能电池等领域具有重要的应用价值。此外，由于其稳定的化学结构，茂金属还可以用作催化剂。尽管理论上可以形成多达20个电子的配合物，但18个电子的结构最为稳定和常见。然而，研究人员此次成功地在19电子茂金属中增加了两个电子，创造出了一个含有21个电子的全新茂金属。这是一个前所未有的壮举，因为一旦超过18个电子，茂金属的化学键就会开始拉长、断裂并改变结构。但是，新开发的21电子茂金属不仅在溶液中稳定，而且在固态下也极为稳定，具有很长的储存时间。

这项新的研究成果为科学家们开辟了新的可能，他们可以利用这种新型的茂金属创造出用于医学、催化和能源领域的新材料。这将有助于解决一些全球性的重大问题，并提高人类的生活质量。

图｜新合成的21电子茂金属化合物的晶体结构，显示氮（蓝色）、钴（红色）、氢（绿色）和碳（灰色）原子

来源：日本冲绳科学技术研究所

53、在玻色爱因斯坦凝聚（BEC）中模拟宇宙膨胀

多国科学家利用玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）进行实验，模拟了宇宙的膨胀和其中的量子场。通过调整BEC中原子的散射长度，研究团队成功模拟了宇宙以不同速度膨胀时的情况，并研究了声子在其中引发的密度波动。这项研究对于理解早期宇宙的形成以及宇宙的演化具有重要意义，因为宇宙学理论认为早期宇宙的大尺度结构可能是由类似的效应引起的。通过模拟宇宙的过程和特性，研究人员可以从中获得对真实宇宙演化的启示，这对于我们理解宇宙的形成和发展有着潜在的价值。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

54、迄今最短电子脉冲创建

德国科学家已创造出迄今最短的电子短脉冲，其持续时间仅为53阿秒，如此短的电子脉冲可使电子显微镜及时聚焦于较短的切片上，类似于降低相机的快门速度，从而更清晰地揭示粒子的运动。研究人员称，如果利用此次获得的阿秒电子脉冲创建电子显微镜，不仅有足够的分辨率来观察运动中的原子，甚至可看到电子在这些原子之间是如何跳跃的。研究团队表示，最新突破有望催生更精确的电子显微镜，在原子尺度上捕捉清晰的图像，还可加快计算机芯片中数据的传输速度。探测到的53阿秒电子脉冲甚至比引发它的光脉冲还要短。根据玻尔的氢原子模型，这一持续时间仅为氢原子中电子绕其原子核运行一周所需时间的1/5。

图｜迄今最短电子脉冲持续时间仅53阿秒

55、发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制

中国科学家开发高分辨电化学原位透射电镜技术，耦合真实电解液环境和外加电场，实现对锂硫电池界面反应原子尺度动态实时观测和研究。发现电池活性材料表面分子聚集成为分子团进行反应，电荷转移可以首先存储在聚集分子团中，分子团得到电子但不会发生转化，直到获得足够电子后瞬时结晶转化。而没有活性的材料表面遵循经典的单分子反应途径，多硫化锂分子逐步得到电子，分步转化，最后转化为Li2S。模拟计算表明，活性中心与多硫化锂之间的静电作用促进了Li+和多硫分子的聚集，并证实分子聚集体中的电荷可以自由转移。近百年来，电化学界面反应通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子途径。该研究揭示出电化学界面反应存在第三种“电荷存储聚集反应”机制，加深了对多硫化物演变及其对电池表界面反应动力学影响的认识，为下一代锂硫电池设计提供指导。这一成果入选“2023年度中国科学十大进展”。

图｜锂硫电池电荷储存聚集反应新机制（Ⅰ）和传统单分子转化路径（Ⅱ）

二

新型材料

56、液氮温区镍氧化物超导体首次发现

中国科学家首次发现在14 GPa压力下达到液氮温区的镍氧化物超导体。这是由我国科学家率先独立发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域的重要突破。该研究成果已刊登于《自然》杂志，将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，使超导在信息技术、工业加工、电力、生物医学和交通运输等领域实现更广泛的应用。

图｜镍氧化物样品制备

图片来源：中山大学

57、新型储氢复合合金问世

德国科学家领导的国际团队研发出一种新的基于钛镁锂的复合合金家族。这种合金具有极低的密度，并且在室温下具有相当大的储氢能力，有望成为未来储氢设施的基石。

图｜一种新的基于TiMgLi的复合合金(CCAs)家族具有极低的合金密度，并且在室温下具有相当大的储氢能力

58、新型彩色涂料助建筑物冬暖夏凉

美国科学家发明了一种新型涂料，可使房屋和其他建筑在夏天保持凉爽，冬天保持温暖，从而显著减少能源使用，降低温室气体排放。测试显示，在人工寒冷环境实验中，新涂料将用于加热的能量减少了约36%；在人工暖环境中，将冷却所需能量减少了近21%。该涂料两层都防水，可应用于潮湿环境。用湿布或水冲洗即可清洁涂料表面。此外，在高温（80℃）、低温（-196℃）以及高酸性等环境中连续暴露一周后，涂料的性能和美观性也丝毫无损。

图｜涂上新涂料的各种不同形状和材质的物体

来源：斯坦福大学

59、迄今为止速度最快、效率最高的半导体

发表在10月26日《科学》杂志的论文中，美国科学家描述了迄今为止速度最快、效率最高的半导体——一种名为Re6Se8Cl2的超原子材料。研究人员表示，就能量传输而言，至少到目前为止，Re6Se8Cl2是已知的最好的半导体。Re6Se8Cl2可被剥离成原子薄片，这一特征意味着它们可能会与其他类似材料结合起来，出现更多独特的性质。然而，Re6Se8Cl2不太可能实现商用，因为其分子中的第一种元素——铼是地球上最稀有的元素之一，因此极其昂贵。

图｜硅材料的电子像兔子乱蹦，Re6Se8Cl2 材料的声激子-极化子像乌龟稳定前进

来源：哥伦比亚大学

60、3D打印制成迄今最具弹性新合金

美国科学家开发出一种3D打印工艺，制造出了迄今最具弹性的新合金，该合金名为 GRX-810，具有超强的抗热、抗氧化和抗应力性能，可用于制造飞机和航天器的高温零件。该合金是通过 3D 打印技术和氧化物分散技术制造的，比现有的合金强度高出两倍，耐久性高出 1000 倍，抗应力能力高出 600 倍。。相关研究刊发于《自然》杂志上。GRX-810 是一种氧化物分散强化合金，即在合金中分散含有氧原子的微粒，从而提高其强度。这种合金适合用于制造航空航天领域的高温零件，例如飞机和火箭发动机内部的零件，因为它们可以在更恶劣的条件下承受更大的压力。目前，3D 打印的超合金可以承受 2000 华氏度（IT之家注：约 1100 摄氏度）的温度，而 GRX-810 则可以抵抗更高的温度，并且更不易氧化。研究人员利用计算机模拟和激光粉末床熔化技术，快速找到了 GRX-810 的理想成分。他们以镍、钴、铬为基础的合金为原料，在 3D 打印过程中，逐层添加氧化钇粉末，然后用激光加热，使氧化物微粒与合金融合。这样就形成了一层层含有陶瓷材料的合金。

图｜GRX-810 微结构的高分辨率表征

61、新型镍-钼催化剂

2023年5月，韩国研究团队开发出一种新型镍-钼催化剂。作为离子交换膜燃料电池的电极材料，其具有成本低、催化率高等优点。研究团队表示，此前国际上就曾开展过镍催化剂的相关研究，但其作为离子交换膜燃料电池的电极材料展现出的性能不及铂催化剂的百分之一，在实际应用方面存在较大的技术难题。为解决镍催化剂的性能问题，研究人员经过多次实验成功用氧化钼改变了镍的电子结构，显著提高了镍的催化性能。相关实验结果显示，铂催化剂的性能为1.0mA/cm2，而镍-钼催化剂的性能为1.1mA/cm2，展现出更加优越的催化性能。此外，镍-钼催化剂的成本仅为铂催化剂的80分之一，在大规模生产方面也有较大优势，预计未来有望成为离子交换膜燃料电池的主要电极材料。

62、新一代全固体电池用氯化物电解质材料

韩国研究团队于2023年11月开发出新一代全固体电池用氯化物电解质材料。该团队首次证明了三方晶系氯化物固体电解质结构内，金属离子的组成和配置会对锂离子的导电性产生影响，并开发出新一代锆离子氯化物固体电解质。新材料商用后将可延长固体电池的稳定性和寿命。相关论文已刊登在《科学》杂志。

63、创纪录的炭基超级电容材料

在机器学习的指导下，美国研究人员设计了一种创纪录的炭基超级电容材料，其储存的能量是当前最佳商业材料的4倍，将碳超级电容器的储能边界推向了一个新的水平。用这种新材料制造的超级电容器可储存更多的能量，从而改善再生制动系统、电力电子设备和辅助电源。研究人员设计了一种非常多孔的掺杂炭，它可为界面电化学反应提供巨大的表面积。随后，他们合成了一种用于储存和传输电荷的新材料——富氧炭框架。相关论文发表在《自然-通讯》杂志上。

图｜富氧碳框架材料概念图

64、新型可持续气凝胶密封材料

德国科学家开发出一种新型可持续气凝胶密封材料。新工艺的关键之处在于用超临界（气体和流体之间）二氧化碳代替传统的用于溶解硅凝胶的酸性材料制备气凝胶。传统工艺下，1公斤气凝胶需要6公斤酸性物质来完成溶解和合成，且这些酸性物质对环境有害。而新工艺全程使用二氧化碳来制备气凝胶，用于制备的硅凝胶原料也通过比对二十余种材料采用了一种新发现的易获取、价格低廉且无毒害的新型硅凝胶材料。制备出的新型气凝胶材料为直径2-4毫米的固体颗粒，并通过模具塑制成形状大小不一的建筑密封材料产品。

65、首个固态电化学热晶体管

日本科学家开发出首个固态电化学热晶体管，热晶体管大致由活性材料和开关材料组成，活性材料的导热性会发生变化，而开关材料可控制活性材料的导热性。他们在氧化钇稳定的氧化锆基底上制造出了最新的固态热晶体管。该基底也用作开关材料，氧化锶钴用作活性材料，而铂电极提供控制晶体管所需的电力。研究发现，活性材料在“开”状态下的导热性与一些液态热晶体管相当。而且，活性材料在“开”状态下的导热性比“关”状态下高4倍。此外，该晶体管使用10个周期后仍保持稳定，优于一些目前使用的液态热晶体管。团队在20多个单独制造的固态热晶体管上进行了测试，确保了结果的可重复性。这一最新研究表明，固态电化学热晶体管具有与液态电化学热晶体管一样有效的潜力。

图｜开创性固态电化学热晶体管

66、双缝实验在时间维度重建

英国科学家借助一种能在飞秒（千万亿分之一秒）内改变特性的“超材料”，在时间而非空间维度重现了著名的双缝实验。最新实验揭示了更多光的基本性质，也为创造出能在空间和时间尺度上精细控制光的终极材料奠定了基础。这一实验原本涉及光通过空间中的一对“狭缝”的衍射，但新研究表明，使用双缝在时间上实现等效效果是可能的。研究团队在实验中用到了氧化铟锡薄膜，在飞秒这样超快的时间尺度上，这种材料的反射率会被激光改变，为光创造出“狭缝”。研究人员通过快速连续两次打开和关闭半导体镜的反射率并沿着从镜反射的光的频谱记录干涉条纹，实现了这一目标。他们的实验发现，干扰发生在不同频率的波之间，而不是不同的空间位置之间。这项成果未来或有多种应用，例如用于信号处理和通信或光计算的光开关。该成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

图｜原始双缝实验艺术图

图片来源：英国《自然》杂志网站

04

智能、信息、通信

一

芯片

67、新款忆阻器存算一体芯片成功研制

基于存算一体计算范式，中国研究团队研制出全球首款全系统集成、支持高效片上学习（机器学习能在硬件端直接完成）的忆阻器存算一体芯片。相关研究成果在线发表于《科学》杂志。该芯片包含支持完整片上学习所必需的全部电路模块，成功完成图像分类、语音识别和控制任务等多种片上增量学习功能验证，展示出高适应性、高能效、高通用性、高准确率等特点，有效强化智能设备在实际应用场景下的学习适应能力。相同任务下，该芯片实现片上学习的能耗仅为先进工艺下专用集成电路（ASIC）系统的3%，展现出卓越的能效优势，极具满足人工智能时代高算力需求的应用潜力，为突破冯·诺依曼传统计算架构下的能效瓶颈提供了一种创新发展路径。这一成果入选两院院士评选的“2023年中国十大科技进展新闻”。

图｜忆阻器存算一体芯片及测试系统

图片来源：清华大学

68、超越硅基极限的二维晶体管问世

中国研究团队构筑了10纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管。创造性地提出“稀土钇元素掺杂诱导二维相变理论”，并发明了“原子级可控精准掺杂技术”，首次使得二维晶体管实际性能超过业界硅基10纳米节点Fin晶体管和国际半导体路线图预测的硅极限，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5V，室温弹道率提升至所有晶体管最高纪录的83%，研制出国际上迄今速度最快、能耗最低的二维晶体管。相关成果2023年3月22日发表于《自然》。

图｜稀土元素钇诱导相变欧姆接触理论和原子级可控精准掺杂技术

图片来源：北京大学

69、迄今最薄的芯片级光线路

美国科学家研制出迄今最薄的芯片级光线路——二维（2D）波导。这款只有几个原子厚的玻璃晶体具备捕获和携带光的能力，并且具有惊人的效率，能够将光传播长达一厘米的距离。这一突破性的技术有望为光基计算领域开辟新的道路。光基计算是一种利用光来传输和处理信息的新兴技术，被认为是未来计算领域的重要方向。与传统的电子计算相比，光基计算具有更高的速度和更低的能耗。然而，由于光的传播距离受限，长距离的光传输一直是该领域的难题。而这款二维波导的问世，为解决这一问题提供了新的可能性。这项研究成果的问世，为光基计算领域带来了新的突破。二维波导的超薄设计和高效传输能力，为光基计算的实际应用提供了更多可能性。未来，这项技术有望在数据中心、通信网络和量子计算等领域发挥重要作用，推动科技进步和社会发展。

图｜研究人员拿着这种材料

图片来源：Jean Lachat/物理学家组织网

70、首台芯片级掺钛蓝宝石激光器

美国研究人员开发出首台芯片级掺钛蓝宝石激光器，它提供了芯片上迄今看到的最宽增益谱，这项突破的应用范围涵盖从原子钟到量子计算和光谱传感器，研究结果发表在《自然-光子学》杂志上。新研究的关键在于激光器的低阈值。传统掺钛蓝宝石激光器的阈值超过100毫瓦，而新系统的阈值约为6.5毫瓦，通过进一步调整，研究人员相信可将阈值降低到1毫瓦。此外，新系统还与广泛用于蓝色LED和激光的氮化镓光电子器件兼容。

图｜首台芯片级掺钛蓝宝石激光器

71、迄今最高存储密度器件面世

美国研究人员在《自然》杂志上刊发论文称，他们已经为边缘人工智能（便携式设备内的人工智能）开发出了迄今存储密度最高的新型器件和芯片，有望在便携式设备内实现强大的人工智能，如让迷你版ChatGPT的功能在个人便携式设备内“遍地开花”。研究人员将硅与金属氧化物忆阻器结合在一起，制造出了一款功能强大能耗很低的新型芯片。该技术使用原子的位置而非电子的数量（目前芯片内使用的技术）来表示信息，鉴于传统芯片内被操纵的电子很“轻”，容易四处移动而逸失信息，新芯片以模拟而非数字方式，可稳定而紧凑地存储更多信息。信息也可以在存储的地方进行处理，而不必发送到专用“处理器”，消除了当前计算系统中存在的“冯·诺依曼瓶颈”，从而大大提高人工智能计算的效率以及数据吞吐量。

图｜新芯片有望在便携式设备内实现强大的人工智能

72、3D集成技术达到迄今最高性能

日本科学家设计出一种新的集成处理器和存储器的三维技术，名为“BBCube 3D”，实现了全世界最高的性能，为更快、更高效的计算铺平了道路。BBCube 3D最显著的方面是实现了处理单元和DRAM之间的三维而非二维连接。该团队使用创新的堆叠结构，其中处理器管芯位于多层DRAM之上，所有组件通过硅通孔互连。团队评估了新体系结构的速度，并将其与两种最先进的存储器技术(DDR5和HBM2E)进行了比较。研究人员称，BBCube 3D有可能实现每秒1.6兆字节的带宽，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。此外，由于BBCube具有低热阻和低阻抗等特性，3D集成可能出现的热管理和电源问题可得到缓解，新技术在显著提高带宽的同时，比特访问能量分别为DDR5和HBM2E的1/20和1/5。

图｜最新提出的集成技术使用堆叠方法设计

来源：东京理工大学

二

量子与通信

73、大规模量子网络的基本构件

奥地利和法国科学家构筑了一种量子中继器，并且借助它通过标准电信光纤实现跨50千米的量子信息传输，进而实现了在单个系统中囊括长距离量子网络的所有关键功能。研究团队使用一对钙40离子制造量子中继器，钙40离子在受到激光脉冲照射后会发射光子。处于纠缠状态的光子与其“母”离子被转换成电信波长并沿着互相独立的多根25千米长光纤传输出去。最后，中继器交换两个离子的纠缠状态，使得两个纠缠光子相距50千米——50千米大致就是创建具有多个节点的大规模量子网络需要的距离。。该研究成果入选“《物理世界》2023年度十大突破”。

74、51个超导量子比特簇态制备刷新世界纪录

继实现10比特、12比特、18比特的真纠缠态制备之后，中国研究人员又取得了重要突破——成功实现51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录。该研究将量子系统中真纠缠比特数目的纪录由24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性，对研究多体量子纠缠、实现大规模量子算法以及基于测量的量子计算等具有重要意义。。相关成果7月12日在线发表于《自然》杂志，入选两院院士评选的“2023年中国十大科技进展新闻”。

图｜量子真纠缠态比特数目的发展历史

图片来源：中国科学技术大学

75、玻色编码纠错延长量子比特寿命

理论上，量子计算机具有超越经典计算机的算力，但受噪声干扰后容易出现量子退相干，导致错误率比经典计算机至少高十多个量级。量子纠错是解决该问题的重要途径，通过量子编码使得一个被保护的逻辑量子比特的相干寿命，超过量子电路中最好的物理比特的相干寿命。此时，意味着纠错过程超越了量子纠缠的盈亏平衡点，这是构建逻辑量子比特的必要条件。但量子态具有不可克隆性，量子计算机无法通过备份来纠正错误，量子纠错过程会引入新的错误，造成误差累积，甚至出现越纠越错的局面。中国研究团队依据玻色编码量子纠错方案，开发了基于频率梳控制的低错误率宇称探测技术，大幅延长逻辑量子比特的相干寿命，超盈亏平衡点达16%，实现了量子纠错增益。该成果是通往容错量子计算道路上的一项重要成果，并入选“2023年度中国科学十大进展”。

图｜玻色编码纠错延长量子比特寿命

76、构建量子计算原型机“九章三号”刷新光量子信息技术世界纪录

中国研究团队成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新光量子信息技术世界纪录，科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

图｜量子计算原型机“九章三号”实验装置示意图

来源：中国科学技术大学

77、首个基于微波的量子雷达

法国科学家成功开发出了首个基于微波的量子雷达，其性能比现有传统雷达高20%,实现了所谓的“量子优越性”。相关研究发表于最新一期《自然·物理学》杂志。这一研究成果对于微波量子计量领域的发展具有重要意义，有望为未来的雷达传感技术带来革命性的变革。量子雷达是一种利用量子力学原理进行信息传输和处理的新型雷达系统。与传统的雷达系统相比，量子雷达具有更高的灵敏度和精度，可以实现更远距离、更高分辨率的目标探测和跟踪。而此次研究开发的基于微波的量子雷达，则是在微波频段上实现了量子优越性，为微波量子计量领域带来了新的可能性。实现量子优越性的关键在于超导电路的研发。超导电路是一种能够纠缠、存储和操纵微波量子态的电路，可以计算微波场中的光子数量。在此次研究中，科学家们发明了一种新型的超导电路，其能够在微波频段上实现量子优越性，为微波量子雷达的研发提供了有力的支持。

量子雷达的应用前景非常广泛。除了在军事领域中的应用外，量子雷达还可以应用于民用领域，如航空航天、交通运输、环境监测等方面。例如，在航空航天领域中，量子雷达可以实现高精度的目标探测和跟踪，为飞行器的安全控制提供有力的支持；在环境监测领域中，量子雷达可以实现对大气污染源的高精度探测和监测，为环境保护提供科学依据。相关研究发表于《自然-物理学》杂志。

图｜超导电路的光学图像是量子雷达实验的核心

来源：里昂高等师范学院

78、两个量子光源首次实现量子纠缠

丹麦和德国科学家在《科学》杂志上发表论文指出，他们携手解决了一个困扰量子科学家多年的问题——在两块纳米芯片上，首次同时控制两个量子光源，并让其实现量子力学纠缠。最新进展对量子硬件的突破性应用至关重要，将促进量子技术发展到更高水平，是计算机、加密和互联网加速“量子化”的关键一步，将为量子技术的商业利用打开大门。研究人员一直致力于开发稳定的量子光源，并实现量子力学纠缠，也就是两个量子光源可远距离地立刻相互影响。纠缠是量子网络的基础，也是开发高效量子计算机的核心。

图｜由两个纠缠的量子光源组成的芯片

79、首次在量子处理器上“制造出”了任意子

美国量子计算公司首次在量子处理器上“制造出”了任意子，有望促进容错量子计算机的研发。研究人员使用了名为H2的新型量子处理器，该处理器使用镱和钡离子通过磁场和激光捕获来创造量子比特。研究团队将这些量子比特编织成笼目图案（一个由交错的三角形组成的网络），得到量子比特的量子力学特性与预测的任意子相同，这就是物理学家寻找已久的拓扑量子态。相关研究结果已经发表在《自然》以及《量子物理学》等杂志上。

图｜H2 量子处理器

80、首台超1000量子比特计算机问世

美国量子计算机制造商研制出了全球首台能运行1000个量子比特的量子计算机，打破了此前由IBM公司的“鱼鹰”创造的433个量子比特的纪录，这可能有助于提高量子计算机的精度。这台超千量子比特的量子计算机使用了一种非常特别和创新的技术：中性原子 。中性原子是一种没有电荷的原子，它们可以被激光捕获在二维网格内，并通过调节激光强度和频率来实现对其状态和相互作用的控制。这样，每个中性原子就可以作为一个量子比特，而整个网格就可以作为一个量子计算机。研究团队指出，尽管量子比特的数量越多并不一定意味着机器的性能越好，但任何未来具有容错功能的量子计算机都需要至少数万个专用的纠错量子比特与可编程量子比特一起工作。

图｜Atom Computing创建的迄今最大的量子计算机

81、迄今最多逻辑量子比特计算机问世

美国量子计算公司建造的新型量子计算机拥有迄今数量最多的逻辑量子比特——达到48个，是此前逻辑量子比特数量的10倍多。与标准量子比特不同，逻辑量子比特容错率更高。科学家使用激光和磁铁的力，将一个真空容器中的数千个铷原子冷却到接近绝对零度，使原子的量子特性最为突出。随后，他们再次用激光照射原子以精确控制其量子态。他们利用原子创建了280个量子比特，然后用另一束激光脉冲让其中一组量子位发生纠缠（如一次纠缠7个量子比特），制成一个逻辑量子比特。借助这种方法，研究人员一次可制造多达48个逻辑量子比特，是以前数量的10倍多。研究团队在新量子计算机上实现了几种计算机操作，以测试逻辑量子比特的性能，结果发现其容错率更高。团队估计，完全容错或无错误的量子计算机将需要数千个逻辑量子比特。这一成果向构建出实用量子计算机迈出了重要一步，相关论文发表于《自然》杂志。

图｜QuEra的新型量子计算机向构建出实用量子计算机迈出了关键一步

图片来源：《新科学家》网站

82、拓扑绝缘体中首次探测到激子

德国研究团队首次在拓扑绝缘体中探测到激子（电中性准粒子）。这一发现归功于拓扑绝缘子发源地维尔茨堡的智能材料设计，拓扑绝缘体能实现电流的无损传导和强大的信息存储，有望成为未来量子技术新材料的候选。量子比特是量子芯片的计算单位。使用光而不是电压可使量子芯片的处理速度快得多。因此，最新发现为开发未来的量子技术和微电子领域的新一代光驱动打造设备铺平了道路。激子是看起来是独立粒子的电子准粒子，它们还是一种只能在某些类型的量子物质中获得的激发电子态。他们的拓扑绝缘层包含三个激子(由一个电子和一个电子空穴组成的对)。因为蜂窝的原子结构，电子不能只沿着边缘流动。目前，激子已被用于其他二维半导体，并首次被视为光驱动信息载体。光与激子之间的相互作用意味着我们可以预测此类材料中的新现象，例如量子比特。研究发表在《自然-通讯》杂志上。

图｜拓扑绝缘体铋烯上的三个激子（由一个电子和一个电子空穴组成的对）。由于蜂窝状原子结构，电子只能沿着边缘流动。

83、量子材料内首次测量电子自旋

一个国际研究团队首次成功测量了一类新型量子材料内的电子自旋，这一成就有望彻底改变未来量子材料的研究方式，为量子技术的发展开辟新途径，并在可再生能源、生物医学、电子学、量子计算机等诸多领域找到用武之地。电子自旋是电子的基本性质之一，指电子在空间移动的曲率。在最新研究中，来自意大利、德国、英国和美国的研究人员，通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，并借助于对物质行为建模的现代技术，首次成功测量了一种新型的、颇具潜力的拓扑量子“笼目”（kagome）材料内电子的自旋，这也是科学家首次测量与拓扑概念相关的电子自旋。“笼目”指一种传统的编织竹纹，意指编织的孔眼图案。在最新研究中，为测量“笼目材料”内电子的自旋，研究人员利用了被称为“圆二色性”的特殊效应，这是一种只能与同步加速器光源一起使用的特殊实验技术，利用了材料基于不同偏振吸收不同光的能力。理论研究人员使用强大的超级计算机，实现了复杂的量子模拟，实验团队则据此实现了测量。“笼目材料”相关研究结果有助人们更多地了解此类材料特殊的磁性、拓扑性和超导性质，为量子材料和量子力学研究开辟新道路。相关研究论文已刊发于《自然物理学》杂志。

图｜左边是实验结果，中间和右边是理论建模。红色和蓝色表示电子的速度。

来源：意大利博洛尼亚大学

84、纠缠量子光源在芯片上集成

德国和荷兰科学家组成的国际科研团队首次将能发射纠缠光子的量子光源完全集成在一块芯片上，将量子光源的尺寸缩小到目前设备的1/1000以下，实现了更长时间的稳定性、可扩展性，同时也能进行大规模生产，有望成为可编程光量子处理器的基本组件，降低量子技术应用的成本。这种新型量子光源的核心是采用了微腔中的极化发生器实现了光源纠缠的产生和控制。通过精妙的光学设计和微纳加工技术，科学家们能够将极化发生器集成在芯片上，从而实现了独立且高效的光源。相对于传统的光源，这种新型量子光源具有更高的稳定性和可扩展性，能够在更长的时间间隔内保持纠缠状态，并且能够在芯片上实现大规模生产，显著降低了所需的成本。实验结果表明，该种量子光源在芯片上的纠缠光产率高且稳定，纠缠时间长，可以为量子信息处理奠定基础，拓展量子计算机和量子通信等领域的应用前景。相关研究刊发于《自然光子学》杂志。

图｜集成在芯片上的量子光源可产生纠缠的光子

85、新一代6G太赫兹波

韩国科研团队研发出可生成稳定度为1/1000万亿的太赫兹波（THz）的技术，可作为6G移动通信频段，适用于新一代6G无线通信、量子光谱技术等领域。科研团队从稳定性为千兆分之一的超精密光频带时间标准的飞秒激光光频梳中提取并合成两束激光生成太赫兹波，并在全频段实验性地验证了时间标准水平的稳定度（千兆分之一）。该技术实现了在太赫兹频段最高水平的光时钟稳定度，生成的太赫兹波可以在毫赫（mHz）水平的准确度上进行实时调制。相关研究成果发表在《自然通讯》上。

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