2023年科技發展在世界各地取得了長足的進展，本文系統梳理了全球範圍內科技成果100項，涵蓋「生命、生物、醫藥健康」、「深空、深海、新空間拓展」、「物質、材料、化學」、「智慧、資訊、通訊」以及「生態能源、交通與建設工程」等五個面向內容。顯示在新科技革命與產業變革背景下，許多領域正在孕育與產生群體性突破，也必將來帶顛覆性影響，為新質生產力注入強大的動能。
01
生命、生物、醫藥健康
一
基因、細胞、胚胎
1.人類泛基因組首張草圖發布
人類泛基因組參考聯盟發布了首張人類泛基因組參考草圖，以及兩個以此參考圖為基礎的新遺傳學研究發現。 「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，地理和種族組成更多元化。與使用原始的線性參考基因組相比，「泛基因組」能夠識別出更多的基因結構變異。該研究成果入選兩院院士評選的「2023年世界十大科技進展新聞」。
2、人類Y染色體組裝與分析完成
《自然》雜誌8月發表的兩篇論文公佈了人類Y染色體的組裝和分析。這項全球100多名科學家參與的研究，並報告了完整的人類Y染色體的62460029個鹼基對序列。這次的組裝修正了目前人類參考基因組組裝中關於Y染色體的多個錯誤，同時也向參考基因組中添加了逾3000萬個鹼基對，揭示了多個基因家族的完整結構，並確認了41個新的蛋白質編碼基因。填補了目前Y染色體參考的諸多空白，帶來了對不同族群演化和變異的見解。
圖｜Y染色體是人類24條染色體中最後一個完成定序的
圖片來源：美國國家人類基因體研究所(NHGRI)
3、 繪製迄今最全人腦細胞圖譜
刊發在美國《科學》《科學進展》和《科學-轉化醫學》雜誌的21篇論文公佈並闡釋了迄今最完整的人類大腦細胞圖譜。多國科學家參與的這一系列研究揭示了3000多種腦細胞類型的特徵，將有助於深入理解人類大腦的獨特之處並推進腦部疾病和認知能力等研究。它代表了科學界在解開大腦奧秘方面的重大突破，為未來的神經科學研究開闢了新方向。這項成果入選兩院院士評選的「2023年世界十大科技進展新聞」。
圖｜迄今最全人腦細胞圖譜相關論文發表在《科學》上
4、 全球首張昆蟲大腦「地圖」繪製完成
多國科學家首次完整地將「果蠅幼蟲」的大腦連結組重建，繪製出第一張完整的昆蟲大腦圖譜。該研究使用高解析度電子顯微鏡掃描了果蠅幼蟲的數千張大腦切片，在電腦分析的輔助下，最終生成的圖譜包含3016個神經元和54.8萬個突觸。這是有史以來第一張昆蟲大腦"地圖"，也是神經科學領域的里程碑式成就。該研究成果入選兩院院士評選的「2023年世界十大科技進展新聞」。
5、 破解記憶形成的關鍵環節
短期記憶形成於海馬體，而穩定的長期記憶則是儲存在大腦皮質。但記憶從海馬體轉移到大腦皮質的中間過程，卻是個長期未解的難題。美國科學家團隊開發出一項全新的單細胞分辨率多區域成像技術，能夠連續數週觀測海馬體與皮層中間區域神經元，實現了對該區域神經元活動的連續追蹤。由此，這項研究首次解析出長期記憶轉移的中間過程，發現先前常被忽略的前端丘腦是處理、鞏固記憶的關鍵中轉站。
圖｜《細胞》封面展示了記憶儲存的過程
繪圖：Julia Kuhl；來源：Cell官網
6、 發現大腦「有形」生理時鐘的存在及其節律調控機制
中國科學家合作研究發現了大腦「有形」生理時鐘的存在。研究團隊發現大腦生理時鐘中樞SCN神經元長有「天線」樣的初級纖毛，每24小時伸縮一次，如同生理時鐘的指針，透過它可實現對機體生理時鐘的調控。初級纖毛可能透過調控SCN區神經元的「同頻共振」調節節律，其機制與Shh訊號路徑密切相關。此「有形」生理時鐘的發現，對於理解生理時鐘的構造以及分子層面與細胞層面生理時鐘的連結具有重要意義，為節律調控新藥研發開闢了新的路徑。這項成果入選2023年度「中國科學十大進展」。
圖｜大腦「有形」生理時鐘
來源：生物世界
7.雄性小鼠產生功能性卵細胞
在2023年的一篇《自然》論文中，日本研究團隊利用幹細胞和染色體工程技術設計了一種細胞「性轉」策略，引導雄性小鼠的幹細胞轉換性別並形成可受精的卵細胞。部分卵細胞成功受精，最後誕生出健康可育的後代。這項進展標誌著生殖生物學的一個里程碑，是一項能啟發或推動未來生育力的研究。
8.用幹細胞人工合成人類胚胎
來自英國、美國的多個研究團隊在「人工合成的人類胚胎模型」上取得了突破性進展。採用不同的策略方法，科學家實現了在無需精子和卵子的情況下，完全利用人類幹細胞，在體外製造出與人類胚胎十分類似的組織結構。這類「人工合成胚胎」可模擬人類胚胎最初兩三週的發育過程與關鍵特徵，為闡明早期人類發育帶來前所未有的機會，有助於更好地理解出生缺陷的致病機制並找到避免缺陷的策略。
圖｜來自其中一項研究的人工胚胎模型展現出類似植入後人類胚胎外胚層的結構
來源：劍橋大學
9.揭示人類基因組暗物質驅動老化的機制
中國研究團隊透過建構生理性和病理性老化研究體系，結合高通量、高靈敏度和多維度的多學科交叉技術，揭示在老化過程中，表觀遺傳「封印」的鬆動將導致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，並進一步驅動老化的「程式化」和「傳染性」。這項工作提出了古病毒的「復活」驅動衰老及相關疾病的新理論，為理解衰老的內在機制和發展衰老幹預策略提供了新依據，為科學評估和預警衰老、防治衰老相關疾病以及積極應對人口老化提供新思路，這項成果入選2023年度「中國科學十大進展」。
10.揭示人類細胞DNA複製起始新機制
中國研究團隊解析了人源細胞系中純化得到了MCM-DH結合DNA的複合物，並使用冷凍電鏡技術以2.59埃的高精度解析出了這一複製前複合物（pre-RC）的結構。根據結構訊息，MCM-DH複合物直接降低了DNA雙股的穩定性，並將位於兩個六聚體結合處的雙股DNA解旋，形成一個初始開口（IOS）。而乾擾或破壞IOS，所有MCM2-7無法穩定結合在DNA上，導致DNA複製啟動被抑制。這項發現對癌症治療有重要的應用價值。因為癌症細胞在生長過程中必須進行DNA複製。在不影響正常細胞運作的情況下，透過阻止癌細胞在DNA上組裝MCM雙六聚體，將會是一種全新的、有效的、高度特意針對癌細胞的抗癌療法，為抗癌藥物的研發開闢了新的道路。這項成果入選2023年度「中國科學十大進展」。
11.新方法實現單鹼基到超大片段DNA精準操縱
中國科學家實現了基因組編輯在方法建立、技術研發和工具應用的多層次創新。研究團隊首次運用人工智慧輔助的結構預測建立了蛋白聚類新方法，率先將基於結構分類的概念引入工具酶挖掘領域，並基於此開發了系列具有重要應用價值的新型鹼基編輯器和中國完全擁有自主產權的、首個在細胞核和細胞器中均可實現精準鹼基編輯的新型工具CyDENT。此外，研究團隊開發了首個植物大片段DNA精準定點插入技術，為高效作物育種和植物合成生物學奠定了技術基礎。研究團隊也利用基因組編輯實現了作物性狀的精準調控。此成果可望進一步拓寬基因組編輯的育種應用，協助作物種質創新，這項成果入選2023年度「中國科學十大進展」。
12.科學家闡明嗅覺感知分子機制
中國科學家應用冷凍電子顯微鏡技術解析了TAAR家族成員之一的小鼠TAAR9（mTAAR9）受體在4種不同配體結合條件下與Gs/Golf（嗅覺特異性Gα）蛋白三聚體複合物的結構，進一步結合藥理學分析揭示了mTAAR9感知配體後被活化的分子機制。研究闡釋了II類特異嗅覺受體感知氣味的分子機制，為嗅覺受體家族辨識配體奠定了理論基礎，對開發靶向嗅覺受體的新藥也有重要意義。相關研究成果5月24日發表於《自然》。
13.揭示光感知調控血糖代謝的神經機制
中國科學研究團隊發現光暴露顯著降低小鼠的血糖代謝能力。利用基因工程手段，研究團隊發現光降低血糖代謝由ipRGC感光獨立介導，光訊號經由視網膜神經節細胞（ipRGC），至下視丘視上核、室旁核，進而到達腦幹孤束核和中縫蒼白核，最後透過交感神經連接到週邊棕色脂肪組織，最後確定了光降低血糖代謝的原因，是光經由這條路徑抑制棕色脂肪組織消耗血糖的產熱。進一步研究表明，光同樣可利用該機制降低人體的血糖代謝能力。這項研究發現了全新的「眼-腦-外周棕色脂肪」通路，回答了長久以來未知的光調節血糖代謝的生物學機理，拓展了光感受調控生命過程的新功能，為防治光污染導致的糖代謝紊亂提供了理論基礎與潛在的介入策略。這項成果入選2023年度「中國科學十大進展」。
14.人體免疫系統發育圖繪製
中國科研人員成功繪製了涵蓋組織範圍最廣、時間跨度最長、採樣密度最高的人體免疫系統發育圖譜，預計將推動全球免疫學和發育生物學領域的發展，成果已在線發表於《細胞》。科學研究人員利用自動化、高通量的合成生物研究大科學裝置，自主搭建單細胞轉錄組測序平台，對發育中的免疫細胞開展"解碼"，並以這樣的海量數據為基礎繪製人體免疫系統發育圖譜。同時，他們也發現了免疫細胞的兩個新類型：廣泛存在於多個組織臟器、促進血管生成的巨噬細胞，以及存在於中樞神經系統之外的類小膠質細胞。這項成果入選兩院院士評選的「2023年中國十大科技進展新聞」。
圖｜建構人類免疫系統發育時空圖譜
圖片來源：中國科學院深圳先進技術研究院
15.腸道微生物可能會影響人的運動動機
研究人員發現，腸道微生物會影響小鼠的運動量。消耗腸道微生物組阻止了運動後小鼠大腦中多巴胺的增加，也導致老鼠運動量減少，更容易筋疲力盡。這項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，這項發現可能有助於提升人們的運動動機。
16.從頭合成生產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1005個鹼基，並編碼了可用於基因治療的AAV載體的一部分。 Ansa採用酵素法DNA合成技術，技術由與單一脫氧核糖核苷三磷酸（dNTP）分子連接的獨立於模板的末端脫氧核苷酸轉移酶（TdT）實現。 TdT-dNTP偶聯物可快速且可控制地將單核苷酸添加到延伸的DNA分子中。這種方法克服了基於亞磷酰胺的DNA合成技術在長度和準確性方面的限制。
17.作物主效耐鹼基因及其作用機制首次揭示
中國科學家以耐鹽鹼作物高粱為材料，首次發現主效耐鹼基因AT1及其作用機轉。大田實驗證明，該基因可顯著提升高粱、水稻、小麥、玉米和穀子等作物在鹽鹼地的產量，可望大幅提升鹽鹼地綜合利用水準。相關成果3月24日發表在《科學》和《國家科學評論》。研究團隊對高粱遺傳資源進行了全基因組大數據關聯分析，發現一個主效耐鹼基因AT1。此基因與水稻的粒形調控基因GS3同源，研究團隊也揭示了作物耐鹽鹼的分子機制。這項成果入選兩院院士評選的「2023年中國十大科技進展新聞」、2023年度「中國科學十大進展」。
圖｜吉林白城，種上AT1/GS3改良過稻米的實驗田
二
惡性疾病的預防與治療
18.抗體療法在減緩阿茲海默症方面取得進展
美國監管機構批准了一種藥物，透過解決疾病的潛在生物學問題，明顯減緩了阿茲海默症患者認知能力的下降。在一項新的為期18個月的關鍵試驗中，與安慰劑組相比，名為lecanemab的抗澱粉樣單株抗體，將認知能力的喪失減緩了27%。另一種同樣針對腦澱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，認知能力下降的速度減緩了35%。該研究成果入選「《科學》2023年度十大突破」。
圖｜新的抗體療法可能會減緩阿茲海默症患者大腦的神經退化性病變
來源：JAMES CAVALLINI/SCIENCE SOURCE
19.血液檢測用於阿茲海默症的早期診斷
阿茲海默症的一種早期表現是名為β澱粉樣蛋白（aβ）的有毒聚集體的形成，這種聚集體可以在症狀出現和其他已知疾病標記形成前的十多年就開始形成。美國科學家開發了一種檢測患者血液中有毒Aβ寡聚體的方法，可以在阿茲海默症症狀出現之前檢測出有毒的aβ聚集體。這項發現或許有助於阿茲海默症和其他神經退化性疾病的早期診斷，被認為是早期診斷阿茲海默症和其他癡呆症的幾種有前景的方法之一。
經過大規模的評估，全球第一種抗瘧疾疫苗Mosquirix確實能顯著降低幼兒的死亡率。現在，隨著世界衛生組織的批准，名為R21（或MatrixM）的第二種疫苗也加入了抗瘧疾的行列。它的設計與Mosquirix類似，但生產成本更低、產量更大。它有助於填補瘧疾疫苗供需之間的巨大缺口，每年能防止數萬名兒童的死亡。世衛組織表示R21預計在2024年為人們提供廣泛接種。該研究成果入選「《科學》2023年度十大突破」。
圖｜肯亞基里菲縣醫院的產婦兒科病房住有許多瘧疾的兒童。研究人員在該城市進行了R21疫苗的臨床試驗
來源：Luis Tato/eyevine/Redux
21、CAR-T療法成功治癒自體免疫疾病
CAR-T細胞療法已成為治療血液癌症的革命性療法，現在，這類療法又向自體免疫疾病發起了挑戰。抗合成酶抗體症候群（ASS）是一類嚴重的肌炎，這種由免疫系統故障引發的疾病可激發肺間質病變，因此病情進展迅速、死亡率高。在《刺胳針》雜誌的論文中，德國研究團隊利用CAR-T細胞療法成功治癒一名ASS患者。停用免疫抑製藥物後，患者的症狀仍在持續改善。這也是團隊在治癒系統性紅斑狼瘡後，利用CAR-T細胞療法治癒的第二種自體免疫疾病。
圖｜CAR-T細胞療法
來源：藥明康德內容團隊
22.全球首款CRISPR基因編輯療法已核准上市
一款基於CRISPR基因編輯技術的疾病療法，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管機構批准上市的CRISPR基因編輯療法。這款商品名為Casgevy的療法已獲準用於治療輸血依賴型β-地中海貧血以及鐮刀狀細胞貧血病這兩種遺傳性血液疾病。在長期追蹤中，接受治療的患者相關疾病症狀消失，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」已經成為人類對抗疾病的強大武器。
圖｜CRISPR基因編輯
來源：藥明康德內容團隊
23. mRNA疫苗成功應用於胰臟癌
美國研究人員成功開發了個人化的mRNA癌症治療疫苗，能夠幫助免疫細胞辨識出患者胰臟癌細胞上的特異性新抗原。在這項研究中，研究人員對成功切除胰臟腫瘤的18名患者進行了深入的分析，讓每位患者接受了針對其特定蛋白質的個人化疫苗。這些疫苗在半數參與者中引發了強烈的抗腫瘤免疫反應。一年多後，這些患者的癌症仍然沒有復發。
24.GLP-1受體激動劑引領新型減肥藥開發
GLP-1受體激動劑早已獲準用於第二型糖尿病的治療，而近年來， GLP-1相關藥物與肥胖症的關係開始受到關注。以司美格魯肽、Zepbound為代表的GLP-1藥物相繼獲美國FDA核准用於肥胖症治療；一款名為retatrutide的三靶點藥物更是在2023年的臨床試驗中取得11個月平均減重24.2%的成績。這些創新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》2023年度十大突破」。
圖｜GLP-1激動劑當選《科學》期刊的2023年度科學突破
繪圖：Stephan Schmitz；圖片來源：Science官網
25.迷幻藥能夠幫助創傷後壓力症候群和憂鬱症的治療
來自美國研究人員根據非洲傳統迷幻植物藥物伊博格鹼（ibogaine）的藥理學原理，開發出兩種可能用於治療成癮和憂鬱症的新候選藥物。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症狀。相關研究結果於發表在Cell期刊上。科研人員從伊博格鹼對5-羥色胺轉運體（SERT）的影響中得到啟發，SERT也是氟西汀（fluoxetine, 商品名為Prozac）等SSRI抗憂鬱藥物的作用標靶。研究人員虛擬篩選了2億種分子結構，以找到與伊博格鹼相同方式阻斷SERT的分子。一輪計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種可以合成。經過對這些分子進行了測試，發現其中的13種分子對SERT有抑製作用。
圖｜新型SERT 抑制劑比伊博加因更有效，更具構形與標靶選擇性
圖片來源：Cell官網
26.腦-脊髓介面讓癱瘓者恢復運動能力
瑞士科學家開發了一種腦-脊髓介面（BSI），透過解析大腦發出的信號並刺激參與行走的脊髓區域，幫助因脊髓損傷而四肢癱瘓的患者恢復運動能力。一名已經癱瘓12年的患者在植入裝置後，成功地透過自己的意識奪回了對雙腿主要關節的控制權。經過復健訓練，這名患者已經重新能夠自然站立和行走，甚至爬樓梯、跨越障礙物。研究也發現，該裝置還能促進神經恢復。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：洛桑大學附設醫院/Gilles Weber
三
器官移植與健康生活
27.異種器官移植里程碑
美國研究團隊成功地將經過基因編輯的豬腎臟移植到人體後，腎臟可以持續運作一周，並提供身體運作所需腎功能。研究人員發布了階段性進展：將基因編輯的豬腎臟移植到一位腦死亡者體內後，腎臟存活並發揮功能長達32天，這也是豬腎臟首次在人體正常工作超過一個月。在近期的《自然》論文中，接受人源化豬腎的食蟹猴在移植後存活了超過2年，驗證了長期存活的潛力。
圖｜|研究團隊正在移除豬腎臟多餘的組織，準備進行人體移植
圖片來源：Joe Carrotta for NYU Langone Health）
28.用於複雜身體部位的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，而且比標準的工程皮膚移植物更結實。與標準、平面培養移植相比，3D皮膚更耐運動時所產生的壓力，同時具備更高水平的細胞外基質蛋白，支持蛋白質在成熟的皮膚中發現。這項新技術使自訂的3D移植物在盡可能少的縫合下得以完整移植，有可能幫助治癒燒傷和其他複雜身體部位的損傷，減少創傷和疤痕。
29.活體組織中「長出」電極
瑞典研究人員透過注入以酵素作為「組裝分子」的凝膠，再利用人體分子作為觸發器，首次成功地在活體組織中培育出電極。研究人員將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中，驗證了這個過程。凝膠在兩種生物體中聚合並在組織內「生長」出了電極。 2023年2月發表在《科學》雜誌上的這項成果，為在生物體中形成完全整合的電子電路鋪平了道路，提供了透過神經系統電訊號或調節神經迴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製造電路上測試的可注射凝膠
圖片來源：托爾·巴克希德/《科學》
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。手術過程中，外科團隊從眼球供者的骨髓中提取成體幹細胞，將其註射到受者的視神經中，以期能取代受損的細胞並保護視神經。在手術後的6個月裡，移植的眼球顯示出明顯的健康跡象，血管功能良好。儘管這隻移植的眼球尚未恢復視力，但這項突破性成果將有助於相關醫學領域的發展。目前團隊正在跟進監測，並期待找到這隻眼球恢復視力的所有可能性。這項成果入選兩院院士評選的「世界十大科技進展新聞」。
31.穿戴式薄膜熱電式製冷器幫助截肢者感知溫度
美國研究人員開發了世界上最小、強度最大、速度最快的冷凍設備—穿戴式薄膜熱電製冷器（TFTEC）。他們與神經科學家合作，幫助截肢者透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，類似於一條膠帶，可在不到1秒的時間內提供高強度冷卻。它的能源效率比當今最常見的熱電設備高出兩倍，用於製造發光二極管的半導體工具也可輕鬆製造這種設備。這為各種應用提供了新的可能，例如改進義肢、擴增實境中的觸覺模式以及用於疼痛管理的熱療法。其還具有各種潛在的工業應用，如用於衛星上的能量收集等。此項成果發表在《自然-生物醫學工程》期刊。
圖丨一名義肢測試員使用新設備來確定哪一罐可樂最冷
圖片來源：約翰斯霍普金斯大學應用物理實驗室
32.首個按需服用的男性避孕藥
美國科學家開發了一種名為TDI-11861的化合物，這種化合物能有效抑制男性體內的可溶性腺苷酸環化酶（SAC）去觸發精子運動，使小鼠和人類精子暫時喪失功能，相關研究發表在《自然-通訊》期刊。 SAC抑制劑使用後可有效避免受孕，且經過治療後24小時，男性生育能力能恢復正常。它可以被開發成一種安全、有效、暫時的男性避孕藥。
圖丨具有更長停留時間的一種有效的sAC抑制劑
圖片來源：Nature官網
四
考古與古代生命生態
33、接近美洲古代人類定居的歷史真相
先前人們認為，最早的美洲移民是透過曾經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。但在2023年，研究人員驗證了另一個引人注目的結論，將這一時間提前了至少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蹟的年代。該研究成果入選「《科學》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，或許證明人類抵達美洲的時間比考古學家所認為的早5,000年
資料來源：NATIONAL PARK SERVICE
02
深空、深海、新太空拓展
34.巨型黑洞合併產生的星際訊號在無聲轟鳴
2023年，天文物理學家捕捉了人們長期尋找的一種微弱的宇宙轟鳴聲。它事實上是宇宙中兩個超大質量的黑洞相互環繞、緊密摩擦所產生的引力波，數目可能多達數百萬個。這項觀測是迄今為止對這些龐大黑洞雙星系統存在最有力的支持，其也體現了利用來自遙遠恆星的訊號來探測重力波是一種強而有力的觀測手段。該研究成果入選「《科學》2023年度十大突破」。
圖｜一對超大質量黑洞（左上）發射出重力波，在時空結構中蕩漾（藝術想像圖）
圖片來源：北美納赫茲重力波天文台
35.早期星系改變宇宙的確鑿證據
國際合作團隊使用詹姆斯·韋布空間望遠鏡（ JWST ）找到了證明早期星系引發早期宇宙再電離的有力證據。再電離發生在大爆炸之後約10億年，主要指氫氣的離子化。研究人員使用JWST的近紅外線照相機查看了古老類星體發出的光。這些光先前穿過了早期宇宙離子化的氣泡。研究人員發現，星系位置與氣泡之間存在關聯，這意味著這些早期星系發出的光確實是再電離的成因。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量黑洞，就像一個巨大的手電筒，有六個突出的衍射尖峰
圖片來源：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang （STScI）
36.衛星首次成功傳送太陽能
美國科學家宣布，1月發射的一顆衛星已將微波束的能量導向太空中的目標，甚至將一部分能量送到地球的探測器上。微波發射器是由32個平面天線組成的陣列，透過改變發送到不同天線的訊號的時間，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，天基太陽能利用技術被認為是實現零碳排放的可靠途徑。這項成果入選兩院院士評選的「世界十大科技進展新聞」。
37.「中國天眼」發現納赫茲重力波存在關鍵證據
利用被譽為「中國天眼」的500公尺口徑球面射電望遠鏡，中國研究團隊發現納赫茲重力波存在的關鍵證據。這是納赫茲重力波搜尋的一個重要突破，顯示中國納赫茲重力波研究與國際同步達到領先水準。相關研究成果發表於《天體與天文物理研究》。這項重大科學突破對星系演化和超大質量黑洞研究有深遠影響，也為重力波天文物理學開啟了全新的窗口。這項成果入選兩院院士評選的「2023年中國十大科技進展新聞」。
圖｜「中國天眼」全景
來源：新華社
38.全球首枚成功入軌的液態氧甲烷火箭
7月12日，酒泉衛星發射中心，朱雀二號遙二運載火箭騰空而起。這是全球首枚成功入軌的液態氧甲烷火箭，也是國內民商航太首款基於自主開發的液體引擎實現成功入軌的運載火箭，填補了國內液氧甲烷火箭的技術空白，意味著中國首款大推力液氧甲烷發動機通過飛行驗證，標誌著中國運載火箭在新型低成本液態推進劑應用上取得突破。
圖｜朱雀二號遙二運載火箭發射成功
資料來源：汪江波攝（新華社發）
39.全球光學時域巡天能力最強設備正式投入觀測
2000多年前，墨子最早記錄並解釋了小孔成像現象。如今，以「墨子」命名的大視野巡天望遠鏡，讓人們可以仰望同一片天空。目前全球光學時域巡天能力最強的墨子巡天望遠鏡在青海冷湖天文觀測基地正式投入觀測，每3個晚上能巡測整個北天球一次。利用墨子巡天望遠鏡，能夠進行高能量時域巡天觀測及近地小天體監測預警。
圖｜墨子巡天望遠鏡
來源：中國科學技術大學
40、世界最深、最大的極深地下實驗室投入科學運行
位於四川涼山錦屏山隧道中部地下2400公尺處，中國錦屏地下實驗室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施土木工程完工，這意味著世界最深、最大的極深地下實驗室正式投入科學運行。實驗室將協助暗物質和核天體物理研究，幫助人類更認識宇宙。
圖｜中國錦屏地下實驗室二期的粒子與天文物理氙探測實驗PandaX-4T實驗裝置
資料來源：國投集團雅礱江流域水電開發有限公司
41.「拉索」發現史上最亮伽瑪暴的極窄噴流和十兆電子伏特光子
「拉索」（LHAASO）首次記錄了伽馬暴萬億電子伏特光子爆發的整個過程，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。 「拉索」也看到了GRB 221009A（史上最亮伽馬暴）的餘輝在700秒左右出現了快速下降，從光變拐折的時間得到噴流的半張角僅有0.8度，這是迄今發現最窄的伽瑪暴噴流。 「拉索」也精確測量了高能量伽瑪射線的能譜，呈現單一的冪律，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」的觀測沒有發現能譜變軟現象，這對伽馬暴餘輝標準模型提出了挑戰，意味著十萬億電子伏特光子可能產生於更複雜的粒子加速過程或存在新的輻射機制。這項成果入選「2023年度中國科學十大進展」。
42、深空探測取得顯著進展
美國持續進行火星探測，並為火星取樣返回作準備。 「毅力」（Perseverance）火星車在一個名為「三叉」（Three Forks）的區域內成功放置了第10份火星樣品管，完成火星表面樣品管「倉庫」的建造工作。
在小行星探測方面，NASA首個載有從小行星貝努（Bennu）收集了岩石和塵埃的返回艙成功著陸。 「靈神星」（Psyche）探測器發射，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）小行星。
天文觀測方面，12月19日，NASA公佈了「詹姆斯•韋伯」太空望遠鏡拍攝的有史以來最清晰的天王星照片，其中包括14顆天王星衛星。
中國科學家瞄準火星烏托邦平原南部豐富的風沙地貌，利用環繞器高分辨率相機、氣象測量儀等開展了高分辨率遙感和近距離就位的聯合探測，發現了著陸區風場發生顯著變化的層序證據，並與火星中高緯度分佈的冰塵覆蓋層記錄有很好的一致性，揭示了祝融號著陸區可能經歷了以風向變化為標誌的兩個主要氣候階段。相關研究成果2023年7月7日發表於《自然》。
43、商業航太新進展
2023年，SpaceX旗下「獵鷹9號」與「重型獵鷹」可重複使用運載火箭共實施96次發射，全部成功，全球佔43%。發射質量達1,195噸，全球佔80%；發射的衛星數量為2,514顆（其中「星鏈」佔1948顆），全球佔87%。依賴強大的發射能力和低廉的發射成本，美國商業航太正在加速打造自己的低軌衛星網路星座－「星鏈」。這將有助於解決目前城市基地台沒有覆蓋的人與人之間互聯互通的需求，建構一個萬物互聯的更聰明的世界。
03
物質、材料、化學
一
物質世界
44.首次實現單原子X射線探測
由多個機構的科學家組成的聯合團隊首次拍攝了單原子X射線訊號，相關研究5月31日刊登於《自然》。研究團隊在X射線探測器內加入了一個由位於樣品附近的尖銳金屬尖端製成的專用探測器，當X射線照射到原子上時，核心能階的電子被激發，並透過重疊的原子/分子軌道穿隧到探測器尖端，所獲得的光譜能揭示原子的相關資訊。這項突破將為X射線和奈米科學領域開闢新天地，這項成果入選兩院院士評選的「世界十大科技進展新聞」、「《物理世界》2023年度十大突破」。
圖｜單原子X射線首次探到的實驗示意圖
圖片來源：物理學家組織網
45.首次發現富含中子鈾同位素
日本科學家團隊發現了一種以前未知的鈾同位素－鈾-241，其原子序為92，質量為241，半衰期可能只有40分鐘，這是自1979年以來科學家首次發現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能幫助他們更好地理解與重元素相關的原子核的形狀，有望修改現有建造核電站的模型，以及描述恆星爆炸行為的理論，最新方法還有助發現更多的新同位素。
圖｜日本科學家首次造出氧-28，其有8個質子和20個中子
圖片來源：卡洛斯·克拉里萬/科學圖片庫
46.迄今最小粒子加速器問世
德國研究團隊成功製造了全世界最小的粒子加速器，長度僅0.2毫米，可以裝在筆尖上。相關研究成果已發表在《自然》期刊。這款設備是第一個能夠快速且聚焦良好的產生電子束的微型加速器，可將電子加速到每秒10萬公里。該加速器採用了光波來加速粒子，透過數千根2微米高的矽柱排列成兩條平行線，形成了一個狹窄的電子束。這種新技術有望應用於醫學領域，為醫生提供新的治療工具或為生物實驗室提供小型消毒工具。這項成果入選兩院院士評選的「世界十大科技進展新聞」。
47.利用中微子研究質子結構
美國和加拿大科學家展示如何從塑膠靶散射的中微子中收集有關質子內部結構的資訊。中微子是一種亞原子粒子，最出名的特徵就是很少與物質相互作用。如何觀測單一質子（氫原子核）散射的中微子的訊號——要知道，這種訊號淹沒在束縛在碳原子核中的質子散射的龐大中微子背景中。為了解決這個問題，研究團隊模擬了碳原子散射中微子的訊號，並且小心地從實驗數據中減去了這些背景訊號。這項研究既有助於我們深入了解質子結構，也提供了進一步認識中微子與物質作用方式的新技巧。該研究成果入選「《物理世界》2023年度十大突破」。
48.首次在實驗室製造出反芳香性分子環氧乙烯
環氧乙烯是最小的反芳香性雜環化合物，也是星際環境中的關鍵活性成分，被認為是最神秘的有機瞬變分子之一，科學家先前認為其不可合成。德美科學家發現了一種新方法，對極低溫冰進行處理並藉助轉移到冰基質上的共振能量，在模擬深空分子雲和恆星形成區域的實驗室條件下，製造出了環氧乙烯，且透過一種高科技質譜工具觀察到了該分子。研究團隊指出，在如此極端環境內發現環氧乙烯意義非凡，它值得科學家使用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和詹姆斯·韋布空間望遠鏡等，在宇宙中對其開展搜索。
49、量子計算機首次辨識出單一核苷酸
日本科學家使用量子計算機，將單磷酸腺苷核苷酸與其他3種核苷酸分子區分開來，這是量子計算機首次應用於單分子測量，證明了其在基因組分析中大有潛力。最新研究可望使超快速基因組分析在藥物發現、癌症診斷和傳染病研究等領域大顯身手。相關論文發表於《物理化學雜誌B》雜誌。
圖｜利用量子電腦鑑定單分子示意圖
來源：大阪大學
50.反物質不會違反重力效應
國際合作組織證明反物質回應重力的方式與正常物質非常相似。物理學家使用ALPHA-g實驗裝置第一次直接觀測到了下落中的反物質原子——由一個反質子和一個反電子構成的反氫原子。研究團隊發現，凐滅發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動，還是能得出反氫原子下落的結論。這項研究打開了標準模型之外全新物理學理論的大門。該研究成果入選「《物理世界》2023年度十大突破」。
51.研究發現新分子磁體家族
單分子磁鐵（SMM）是單一分子或原子能夠保持自旋力矩—磁化方向的材料。它們的狀態可透過外部磁場來切換。俄羅斯研究人員發現，鈷、鐵和鎳的非典型複雜化合物可能表現出單離子磁體的特性。這項研究成果有助於利用此類物質製造高效電子元件，儲存超高密度訊息，其容量是現代設備的一千倍。這將使開發設計具有所需特性的分子，找到增強所需技術特性的方法成為可能，並開發基於電子自旋特性的新技術，如量子計算設備。
52、新的茂金屬化合物
日本與德國、俄羅斯的科學家攜手，成功開發出一種新型的茂金屬化合物。這項突破性的研究成果已在《自然-通訊》雜誌上發表。茂金屬，以其多功能性和特殊的"三明治"結構而聞名，是一種有機金屬化合物。這種化合物的獨特之處在於其能夠「夾心」許多不同的元素以形成各種化合物。由於其獨特的化學性質和廣泛的應用前景，茂金屬獲得了1973年諾貝爾化學獎。茂金屬的多功能性源自於其能夠在分子中「夾心」多種元素。這使得它們在聚合物生產、血糖儀以及鈣鈦礦太陽能電池等領域具有重要的應用價值。此外，由於其穩定的化學結構，茂金屬也可以用作催化劑。儘管理論上可以形成多達20個電子的配合物，但18個電子的結構最為穩定且常見。然而，研究人員此次成功地在19電子茂金屬中增加了兩個電子，創造了一個含有21個電子的全新茂金屬。這是一個前所未有的壯舉，因為一旦超過18個電子，茂金屬的化學鍵就會開始拉長、斷裂並改變結構。但是，新開發的21電子茂金屬不僅在溶液中穩定，而且在固態下也極為穩定，具有很長的儲存時間。
這項新的研究成果為科學家開闢了新的可能，他們可以利用這種新型的茂金屬創造出用於醫學、催化和能源領域的新材料。這將有助於解決一些全球性的重大問題，並提高人類的生活品質。
圖｜新合成的21電子茂金屬化合物的晶體結構，顯示氮（藍色）、鈷（紅色）、氫（綠色）和碳（灰色）原子
來源：日本沖繩科學技術研究所
53.在玻色愛因斯坦凝聚（BEC）中模擬宇宙膨脹
多國科學家利用玻色愛因斯坦凝聚態（BEC）進行實驗，模擬了宇宙的膨脹和其中的量子場。透過調整BEC中原子的散射長度，研究團隊成功模擬了宇宙以不同速度膨脹時的情況，並研究了聲子在其中引發的密度波動。這項研究對於理解早期宇宙的形成以及宇宙的演化具有重要意義，因為宇宙學理論認為早期宇宙的大尺度結構可能是由類似的效應引起的。透過模擬宇宙的過程和特性，研究人員可以從中獲得對真實宇宙演化的啟示，這對於我們理解宇宙的形成和發展有著潛在的價值。該研究成果入選「《物理世界》2023年度十大突破」。
54、迄今最短電子脈衝創建
德國科學家已創造出迄今最短的電子短脈衝，其持續時間僅53阿秒，如此短的電子脈衝可使電子顯微鏡及時聚焦於較短的切片上，類似於降低相機的快門速度，從而更清晰地揭示粒子的運動。研究人員稱，如果利用這次獲得的阿秒電子脈衝創建電子顯微鏡，不僅有足夠的分辨率來觀察運動中的原子，甚至可以看到電子在這些原子之間是如何跳躍的。研究團隊表示，最新突破可望催生更精確的電子顯微鏡，在原子尺度上捕捉清晰的影像，還可加快電腦晶片中資料的傳輸速度。偵測到的53阿秒電子脈衝甚至比引發它的光脈衝還要短。根據玻爾的氫原子模型，此持續時間僅為氫原子中電子繞其原子核運行一週所需時間的1/5。
55.發現鋰硫電池界面電荷儲存聚集反應新機制
中國科學家開發高分辨電化學原位透射電鏡技術，耦合真實電解液環境和外加電場，實現對鋰硫電池界面反應原子尺度動態即時觀測與研究。發現電池活性材料表面分子聚集成為分子團進行反應，電荷轉移可以先儲存在聚集分子團中，分子團得到電子但不會轉化，直到獲得足夠電子後瞬時結晶轉化。而沒有活性的材料表面遵循經典的單分子反應途徑，多硫化鋰分子逐步得到電子，分步轉化，最後轉化為Li2S。模擬計算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進了Li+和多硫分子的聚集，並證實分子聚集體中的電荷可以自由轉移。近百年來，電化學界面反應通常被認為僅存在「內球反應」和「外球反應」單分子途徑。該研究揭示電化學界面反應存在第三種「電荷儲存聚集反應」機制，加深了對多硫化物演變及其對電池表界面反應動力學影響的認識，為下一代鋰硫電池設計提供指導。這項成果入選「2023年度中國科學十大進展」。
二
新型材料
56.液態氮溫區鎳氧化物超導體首次發現
中國科學家首次發現在14 GPa壓力下達到液態氮溫區的鎳氧化物超導體。這是由中國科學家率先獨立發現的全新高溫超導體系，也是人類目前發現的第二種液態氮溫區非常規超導材料，是基礎研究領域的重要突破。這項研究成果已刊登於《自然》雜誌，將有望推動破解高溫超導機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，使超導在資訊科技、工業加工、電力、生物醫學和交通運輸等領域實現更廣泛的應用。
圖｜鎳氧化物樣品製備
圖片來源：中山大學
57.新型儲氫複合合金問世
德國科學家領導的國際團隊研發出一種新的基於鈦鎂鋰的複合合金家族。這種合金具有極低的密度，並且在室溫下具有相當大的儲氫能力，並有望成為未來儲氫設施的基石。
58.新型彩色塗料助建築物冬暖夏涼
美國科學家發明了一種新型塗料，可使房屋和其他建築在夏天保持涼爽，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，在人工寒冷環境實驗中，新塗料將用於加熱的能量減少了約36%；在人工暖環境中，將冷卻所需能量減少了近21%。塗料兩層都防水，可應用於潮濕環境。用濕布或水沖洗即可清潔塗料表面。此外，在高溫（80℃）、低溫（-196℃）以及高酸性等環境中連續暴露一週後，塗料的性能和美觀性也絲毫無損。
圖｜塗上新塗料的各種不同形狀和材質的物體
來源：史丹佛大學
59、迄今為止速度最快、效率最高的半導體
發表在10月26日《科學》雜誌的論文中，美國科學家描述了迄今為止最快、效率最高的半導體——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體。 Re6Se8Cl2可被剝離成原子薄片，這項特徵意味著它們可能會與其他類似材料結合起來，出現更多獨特的性質。然而，Re6Se8Cl2不太可能實現商用，因為其分子中的第一種元素——錸是地球上最稀有的元素之一，因此極為昂貴。
圖｜矽材料的電子像兔子亂蹦，Re6Se8Cl2 材料的聲激子-極化子像烏龜穩定前進
來源：哥倫比亞大學
60、3D列印製成迄今最具彈性新合金
美國科學家開發出一種3D列印工藝，製造出了迄今最具彈性的新合金，該合金名為GRX-810，具有超強的抗熱、抗氧化和抗應力性能，可用於製造飛機和太空船的高溫零件。該合金是透過3D 列印技術和氧化物分散技術製造的，比現有的合金強度高出兩倍，耐久性高出1000 倍，抗應力能力高出600 倍。 。相關研究刊發於《自然》雜誌。 GRX-810 是一種氧化物分散強化合金，即在合金中分散含有氧原子的微粒，從而提高其強度。這種合金適合用於製造航空航太領域的高溫零件，例如飛機和火箭發動機內部的零件，因為它們可以在更惡劣的條件下承受更大的壓力。目前，3D 列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，並且更不易氧化。研究人員利用電腦模擬和雷射粉末床熔化技術，快速找到了GRX-810 的理想成分。他們以鎳、鈷、鉻為基礎的合金為原料，在3D 列印過程中，逐層添加氧化釔粉末，然後用雷射加熱，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，韓國研究團隊開發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、催化率高等優點。研究團隊表示，先前國際上曾進行過鎳催化劑的相關研究，但其作為離子交換膜燃料電池的電極材料展現出的性能不及鉑催化劑的百分之一，在實際應用方面存在較大的技術難題。為解決鎳催化劑的性能問題，研究人員經過多次實驗成功用氧化鉬改變了鎳的電子結構，顯著提高了鎳的催化性能。相關實驗結果顯示，鉑催化劑的性能為1.0mA/cm2，而鎳-鉬催化劑的性能為1.1mA/cm2，展現出更優越的催化性能。此外，鎳-鉬催化劑的成本僅為鉑催化劑的80分之一，在大規模生產方面也有較大優勢，未來預計未來將成為離子交換膜燃料電池的主要電極材料。
62.新一代全固態電池用氯化物電解質材料
韓國研究團隊於2023年11月開發出新一代全固態電池用氯化物電解質材料。該團隊首次證明了三方晶系氯化物固體電解質結構內，金屬離子的組成和配置會對鋰離子的導電性產生影響，並開發出新一代鋯離子氯化物固體電解質。新材料商用後將可延長固態電池的穩定性和壽命。相關論文已刊登於《科學》雜誌。
63.創紀錄的炭基超級電容材料
在機器學習的指導下，美國研究人員設計了一種創紀錄的炭基超級電容材料，其儲存的能量是當前最佳商業材料的4倍，將碳超級電容器的儲能邊界推向了一個新的水平。用這種新材料製造的超級電容器可儲存更多的能量，進而改善再生煞車系統、電力電子設備和輔助電源。研究人員設計了一種非常多孔的摻雜炭，它可為界面電化學反應提供巨大的表面積。隨後，他們合成了一種用於儲存和傳輸電荷的新材料—富氧炭框架。相關論文發表在《自然-通訊》期刊。
64.新型可持續氣凝膠密封材料
德國科學家開發出一種新型可持續氣凝膠密封材料。新製程的關鍵之處在於用超臨界（氣體和流體之間）二氧化碳取代傳統的溶解矽凝膠的酸性材料來製備氣凝膠。傳統製程下，1公斤氣凝膠需要6公斤酸性物質來完成溶解和合成，這些酸性物質對環境有害。而新製程全程使用二氧化碳來製備氣凝膠，用於製備的矽凝膠原料也透過比對二十餘種材料採用了一種新發現的易取得、價格低廉且無毒害的新型矽凝膠材料。製備出的新型氣凝膠材料為直徑2-4毫米的固體顆粒，並透過模具塑製成形狀大小不一的建築密封材料產品。
65.首個固態電化學熱晶體管
日本科學家開發出首個固態電化學熱晶體管，熱電晶體大致由活性材料和開關材料組成，活性材料的導熱性會發生變化，而開關材料可控制活性材料的導熱性。他們在氧化釔穩定的氧化鋯基底上製造出了最新的固態熱晶體管。此基底也用作開關材料，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。研究發現，活性材料在「開」狀態下的導熱性與一些液態熱電晶體相當。而且，活性材料在「開」狀態下的導熱性比「關」狀態高4倍。此外，此電晶體使用10個週期後仍保持穩定，優於目前使用的一些液態熱電晶體。團隊在20多個單獨製造的固態熱晶體管上進行了測試，確保了結果的可重複性。這項最新研究表明，固態電化學熱晶體管具有與液態電化學熱晶體管一樣有效的潛力。
66.雙縫實驗在時間維度重建
英國科學家借助一種能在飛秒（千萬億分之一秒）內改變特性的"超材料"，在時間而非空間維度重現了著名的雙縫實驗。最新實驗揭示了更多光的基本性質，也為創造出能在空間和時間尺度上精細控制光的終極材料奠定了基礎。這項實驗原本涉及光通過空間中的一對「狹縫」的繞射，但新研究表明，使用雙縫在時間上實現等效效果是可能的。研究團隊在實驗中用到了氧化銦錫薄膜，在飛秒這樣超快的時間尺度上，這種材料的反射率會被雷射改變，為光創造出「狹縫」。研究人員透過快速連續兩次打開和關閉半導體鏡的反射率並沿著從鏡反射的光的頻譜記錄干涉條紋，實現了這一目標。他們的實驗發現，幹擾發生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置之間。這項成果未來或有多種應用，例如用於訊號處理和通訊或光計算的光開關。該成果入選「《物理世界》2023年度十大突破」。
圖｜原始雙縫實驗藝術圖
圖片來源：英國《自然》雜誌網站
04
智慧、資訊、通信
一
晶片
67.新款憶阻器存算一體晶片成功研發
基於存算一體運算範式，中國研究團隊發展出全球首款全系統整合、支援高效片上學習（機器學習能在硬體端直接完成）的憶阻器存算一體晶片。相關研究成果線上發表於《科學》雜誌。此晶片包含支援完整片上學習所需的全部電路模組，成功完成影像分類、語音辨識和控制任務等多種片上增量學習功能驗證，展現出高適應性、高能效、高通用性、高準確率等特點，有效強化智慧型裝置在實際應用情境下的學習適應能力。在相同任務下，此晶片實現片上學習的能耗僅為先進製程下專用積體電路（ASIC）系統的3%，展現出卓越的能效優勢，極具滿足人工智慧時代高算力需求的應用潛力，為突破馮諾依曼傳統運算架構下的能源效率瓶頸提供了創新發展路徑。這項成果入選兩院院士評選的「2023年中國十大科技進展新聞」。
圖｜憶阻器存算一體晶片及測試系統
圖片來源：清華大學
68、超越矽基極限的二維電晶體問世
中國研究團隊構築了10奈米超短溝道彈道二維硒化銦電晶體。創造性地提出"稀土釔元素摻雜誘導二維相變理論"，並發明了"原子級可控精準摻雜技術"，首次使得二維晶體管實際性能超過業界矽基10奈米節點Fin電晶體和國際半導體路線圖預測的矽極限，並將二維電晶體的工作電壓降到0.5V，室溫彈道率提升至所有電晶體最高紀錄的83%，研發出國際上迄今速度最快、能耗最低的二維電晶體。相關成果2023年3月22日發表於《自然》。
圖｜稀土元素釔誘導相變歐姆接觸理論與原子級可控精準摻雜技術
圖片來源：北京大學
69、迄今最薄的晶片級光線路
美國科學家研發出迄今最薄的晶片級光線路－二維（2D）波導。這款只有幾個原子厚的玻璃晶體具備捕獲和攜帶光的能力，並且具有驚人的效率，能夠將光傳播長達一厘米的距離。這項突破性的技術有望為光基計算領域開闢新的道路。光基計算是一種利用光來傳輸和處理資訊的新興技術，被認為是未來計算領域的重要方向。與傳統的電子計算相比，光基計算具有更高的速度和更低的能耗。然而，由於光的傳播距離受限，長距離的光傳輸一直是該領域的難題。而這款二維波導的問世，為解決這個問題提供了新的可能性。這項研究成果的問世，為光基計算領域帶來了新的突破。二維波導的超薄設計和高效傳輸能力，為光基計算的實際應用提供了更多可能性。未來，這項技術可望在資料中心、通訊網路和量子運算等領域發揮重要作用，推動科技進步和社會發展。
圖｜研究者拿著這種材料
圖片來源：Jean Lachat/物理學家組織網
70.首台晶片級摻鈦藍寶石雷射器
美國研究人員開發出首台晶片級摻鈦藍寶石雷射器，它提供了晶片上迄今為止看到的最寬增益譜，這項突破的應用範圍涵蓋從原子鐘到量子計算和光譜感測器，研究結果發表在《自然-光子學》雜誌上。新研究的關鍵在於雷射的低閾值。傳統摻鈦藍寶石雷射的閾值超過100毫瓦，而新系統的閾值約為6.5毫瓦，透過進一步調整，研究人員相信可將閾值降低到1毫瓦。此外，新系統還與廣泛用於藍色LED和雷射的氮化鎵光電子裝置相容。
71、迄今最高儲存密度元件面世
美國研究人員在《自然》雜誌上發表論文稱，他們已經為邊緣人工智慧（便攜式設備內的人工智慧）開發出了迄今儲存密度最高的新型裝置和晶片，有望在便攜式設備內實現強大的人工智能，如讓迷你版ChatGPT的功能在個人便攜式設備內「遍地開花」。研究人員將矽與金屬氧化物憶阻器結合在一起，製造出了一款功能強大能耗很低的新型晶片。該技術使用原子的位置而非電子的數量（目前芯片內使用的技術）來表示信息，鑑於傳統芯片內被操縱的電子很"輕"，容易四處移動而逸失信息，新芯片以模擬而非數字方式，可穩定且緊湊地儲存更多資訊。資訊也可以在儲存的地方進行處理，而不必發送到專用"處理器"，消除了當前計算系統中存在的"馮·諾依曼瓶頸"，從而大大提高人工智能計算的效率以及數據吞吐量。
72、3D整合技術達到迄今最高效能
日本科學家設計出一種新的整合處理器和記憶體的三維技術，名為"BBCube 3D"，實現了全世界最高的性能，為更快、更有效率的運算鋪平了道路。 BBCube 3D最顯著的方面是實現了處理單元和DRAM之間的三維而非二維連接。該團隊使用創新的堆疊結構，其中處理器管芯位於多層DRAM之上，所有組件都透過矽通孔互連。團隊評估了新體系結構的速度，並將其與兩種最先進的記憶體技術(DDR5和HBM2E)進行了比較。研究人員稱，BBCube 3D有可能實現每秒1.6兆位元組的頻寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。此外，由於BBCube具有低熱阻和低阻抗等特性，3D整合可能出現的熱管理和電源問題可緩解，新技術在顯著提高頻寬的同時，位元存取能量分別為DDR5和HBM2E的1/20和1 /5。
圖｜最新提出的整合技術使用堆疊方法設計
來源：東京理工大學
二
量子與通訊
73.大規模量子網路的基本構件
奧地利和法國科學家構築了一種量子中繼器，並且藉助它透過標準電信光纖實現跨50千米的量子資訊傳輸，進而實現了在單一系統中囊括長距離量子網路的所有關鍵功能。研究團隊使用一對鈣40離子製造量子中繼器，鈣40離子在雷射脈衝照射後會發射光子。處於糾纏狀態的光子與其「母」離子被轉換成電信波長並沿著互相獨立的多根25千米長光纖傳輸出去。最後，中繼器交換兩個離子的糾纏狀態，使得兩個糾纏光子相距50千米——50千米大致就是創建具有多個節點的大規模量子網路所需的距離。 。該研究成果入選「《物理世界》2023年度十大突破」。
74、51個超導量子位元簇態製備刷新世界紀錄
繼實現10位元、12位元、18位元的真糾纏態製備之後，中國研究人員又取得了重要突破──成功實現51個超導量子比特簇態製備與驗證，刷新了所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄。該研究將量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由24個大幅突破至51個，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性，對研究多體量子糾纏、實現大規模量子演算法以及基於測量的量子計算等具有重要意義。 。相關成果7月12日線上發表於《自然》雜誌，入選兩院院士評選的「2023年中國十大科技進展新聞」。
圖｜量子真糾纏態比特數目的發展歷史
圖片來源：中國科學技術大學
75.玻色編碼糾錯延長量子位元壽命
理論上，量子電腦具有超越經典電腦的算力，但受雜訊幹擾後容易出現量子退相干，導致錯誤率比經典電腦至少高十多個量級。量子糾錯是解決這個問題的重要途徑，透過量子編碼使得一個被保護的邏輯量子位元的相干壽命，超過量子電路中最好的物理位元的相干壽命。此時，意味著糾錯過程超越了量子糾纏的損益平衡點，這是建構邏輯量子位元的必要條件。但量子態具有不可複製性，量子電腦無法透過備份來修正錯誤，量子糾錯過程會引入新的錯誤，造成誤差累積，甚至出現越糾越錯的局面。中國研究團隊依據玻色編碼量子糾錯方案，開發了基於頻率梳控制的低錯誤率宇稱探測技術，大幅延長邏輯量子比特的相干壽命，超盈虧平衡點達16%，實現了量子糾錯增益。這項成果是通往容錯量子運算道路上的重要成果，並入選「2023年度中國科學十大進展」。
76、建構量子計算原型機「九章三號」刷新光量子資訊技術世界紀錄
中國研究團隊成功建造255個光子的量子計算原型機"九章三號"，再度刷新光量子資訊技術世界紀錄，科研人員設計了時空解復用的光子探測新方法，構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算複雜度。根據公開正式發表的最優經典精確取樣演算法，「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。 「九章三號」在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要當前最強的超級電腦「前沿」（Frontier）花費超過二百億年的時間。這項成果進一步鞏固了中國在光量子運算領域的國際領先地位。這項成果進一步鞏固了中國在光量子運算領域的國際領先地位。這項成果進一步鞏固了中國在光量子運算領域的國際領先地位。這項成果進一步鞏固了中國在光量子運算領域的國際領先地位。
圖｜量子計算原型機「九章三號」實驗裝置示意圖
來源：中國科學技術大學
77、首個基於微波的量子雷達
法國科學家成功開發了首個基於微波的量子雷達，其性能比現有傳統雷達高20%,實現了所謂的「量子優越性」。相關研究發表於最新一期《自然·物理學》雜誌。這項研究成果對於微波量子計量領域的發展具有重要意義，可望為未來的雷達感測技術帶來革命性的變革。量子雷達是一種利用量子力學原理進行資訊傳輸和處理的新型雷達系統。與傳統的雷達系統相比，量子雷達具有更高的靈敏度和精度，可以實現更遠距離、更高解析度的目標探測和追蹤。而此次研究開發的基於微波的量子雷達，則是在微波頻段上實現了量子優越性，為微波量子計量領域帶來了新的可能性。實現量子優越性的關鍵在於超導電路的研發。超導電路是一種能夠糾纏、儲存和操縱微波量子態的電路，可以計算微波場中的光子數量。在此次研究中，科學家發明了一種新型的超導電路，其能夠在微波頻段上實現量子優越性，為微波量子雷達的研發提供了有力的支持。
量子雷達的應用前景非常廣泛。除了在軍事領域的應用外，量子雷達還可以應用於民用領域，如航空航太、交通運輸、環境監測等方面。例如，在航空航天領域中，量子雷達可以實現高精度的目標探測和跟踪，為飛行器的安全控制提供有力的支持；在環境監測領域中，量子雷達可以實現對大氣污染源的高精度探測和監測，為環境保護提供科學依據。相關研究發表於《自然-物理學》雜誌。
圖｜超導電路的光學影像是量子雷達實驗的核心
資料來源：里昂高等師範學院
78、兩個量子光源首次實現量子糾纏
丹麥和德國科學家在《科學》雜誌上發表論文指出，他們攜手解決了一個困擾量子科學家多年的問題——在兩塊奈米晶片上，首次同時控制兩個量子光源，並讓其實現量子力學糾纏。最新進展對量子硬體的突破性應用至關重要，將促進量子技術發展到更高水平，是電腦、加密和互聯網加速「量子化」的關鍵一步，將為量子技術的商業利用打開大門。研究人員一直致力於開發穩定的量子光源，並實現量子力學糾纏，也就是兩個量子光源可遠距離立刻相互影響。糾纏是量子網路的基礎，也是開發高效量子電腦的核心。
79.首次在量子處理器上「製造出」了任意子
美國量子運算公司首次在量子處理器上「製造出」了任意子，有望促進容錯量子電腦的研發。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透過磁場和雷射捕獲來創造量子位元。研究團隊將這些量子位元編織成籠目圖案（由交錯的三角形組成的網路），得到量子位元的量子力學特性與預測的任意子相同，這就是物理學家尋找已久的拓樸量子態。相關研究結果已發表在《自然》以及《量子物理學》等雜誌。
80.首台超1000量子位元計算機問世
美國量子電腦製造商研製出了全球首台能運行1000個量子比特的量子計算機，打破了此前由IBM公司的「魚鷹」創造的433個量子比特的紀錄，這可能有助於提高量子計算機的精度。這台超千量子位元的量子電腦使用了一種非常特別且創新的技術：中性原子。中性原子是一種沒有電荷的原子，它們可以被雷射捕獲在二維網格內，並透過調節雷射強度和頻率來實現對其狀態和相互作用的控制。這樣，每個中性原子就可以當作量子位元，而整個網格就可以當作量子電腦。研究團隊指出，儘管量子位元的數量越多並不一定意味著機器的性能越好，但任何未來具有容錯功能的量子電腦都需要至少數萬個專用的糾錯量子位元與可程式量子位元一起工作。
81.迄今最多邏輯量子位元計算機問世
美國量子計算公司建造的新型量子電腦擁有迄今數量最多的邏輯量子位元——達到48個，是先前邏輯量子位元數量的10倍多。與標準量子位元不同，邏輯量子位元容錯率更高。科學家使用雷射和磁鐵的力，將一個真空容器中的數千個銣原子冷卻到接近絕對零度，使原子的量子特性最為突出。隨後，他們再次用雷射照射原子以精確控制其量子態。他們利用原子創造了280個量子位元，然後用另一束雷射脈衝讓其中一組量子位元發生糾纏（如一次糾纏7個量子位元），製成一個邏輯量子位元。藉由此方法，研究人員一次可製造多達48個邏輯量子位元，是以前數量的10倍多。研究團隊在新量子電腦上實現了幾種電腦操作，以測試邏輯量子位元的性能，結果發現其容錯率更高。團隊估計，完全容錯或無錯誤的量子電腦將需要數千個邏輯量子位元。這項成果為建構出實用量子電腦邁出了重要一步，相關論文發表於《自然》雜誌。
圖｜QuEra的新型量子電腦向建構出實用量子電腦邁出了關鍵一步
圖片來源：《新科學家》網站
82.拓樸絕緣體中首次偵測到激子
德國研究團隊首次在拓樸絕緣體中偵測到激子（電中性準粒子）。這項發現歸功於拓樸絕緣子發源地維爾茨堡的智慧材料設計，拓樸絕緣體能實現電流的無損傳導和強大的資訊存儲，有望成為未來量子技術新材料的候選。量子比特是量子晶片的計算單位。使用光而不是電壓可使量子晶片的處理速度快得多。因此，最新發現為開發未來的量子技術和微電子領域的新一代光驅動打造設備鋪平了道路。激子是看起來是獨立粒子的電子準粒子，它們還是一種只能在某些類型的量子物質中獲得的激發電子態。他們的拓樸絕緣層包含三個激子(由一個電子和一個電子空穴組成的對)。因為蜂巢的原子結構，電子不能只沿著邊緣流動。目前，激子已被用於其他二維半導體，並首次被視為光驅動資訊載體。光與激子之間的相互作用意味著我們可以預測此類材料中的新現象，例如量子位元。研究發表在《自然-通訊》期刊。
83、量子材料內首次測量電子自旋
一個國際研究團隊首次成功測量了一類新型量子材料內的電子自旋，這項成就可望徹底改變未來量子材料的研究方式，為量子技術的發展開闢新途徑，並在再生能源、生物醫學、電子學、量子電腦等許多領域找到用武之地。電子自旋是電子的基本性質之一，指電子在空間移動的曲率。在最新研究中，來自義大利、德國、英國和美國的研究人員，透過先進的實驗技術，利用粒子加速器同步加速器產生的光，並藉助於對物質行為建模的現代技術，首次成功測量了一種新型的、頗具潛力的拓樸量子「籠目」（kagome）材料內電子的自旋，也是科學家首次測量與拓樸概念相關的電子自旋。 「籠目」指一種傳統的編織竹紋，意指編織的孔眼圖案。在最新研究中，為測量「籠目材料」內電子的自旋，研究人員利用了被稱為「圓二色性」的特殊效應，這是一種只能與同步加速器光源一起使用的特殊實驗技術，利用了材料基於不同偏振吸收不同光的能力。理論研究人員使用強大的超級計算機，實現了複雜的量子模擬，實驗團隊則據此實現了測量。 「籠目材料」相關研究結果有助於人們更了解此類材料特殊的磁性、拓樸性和超導性質，為量子材料和量子力學研究開闢新道路。相關研究論文已發表於《自然物理學》雜誌。
圖｜左邊是實驗結果，中間和右邊是理論建模。紅色和藍色表示電子的速度。
來源：義大利博洛尼亞大學
84.糾纏量子光源在晶片上集成
由德國和荷蘭科學家組成的國際科學研究團隊首次將能發射糾纏光子的量子光源完全整合在一塊晶片上，將量子光源的尺寸縮小到目前設備的1/1000以下，實現了更長的穩定性、可擴展性，同時也能進行大規模生產，可望成為可程式光量子處理器的基本元件，降低量子技術應用的成本。這種新型量子光源的核心是採用了微腔中的極化發生器實現了光源糾纏的產生和控制。透過精妙的光學設計和微納加工技術，科學家們能夠將極化發生器整合在晶片上，從而實現了獨立且高效的光源。相對於傳統的光源，這種新型量子光源具有更高的穩定性和可擴展性，能夠在更長的時間間隔內保持糾纏狀態，並且能夠在晶片上實現大規模生產，顯著降低了所需的成本。實驗結果表明，該種量子光源在晶片上的糾纏光產率高且穩定，糾纏時間長，可以為量子資訊處理奠定基礎，拓展量子電腦和量子通訊等領域的應用前景。相關研究刊發於《自然光子學》雜誌。
85、新一代6G太赫茲波
韓國科學研究團隊研發出可產生穩定度為1/1000兆的太赫茲波（THz）的技術，可作為6G行動通訊頻段，適用於新一代6G無線通訊、量子光譜技術等領域。科學研究團隊從穩定性為千兆分之一的超精密光頻帶時間標準的飛秒雷射光頻梳中提取並合成兩束雷射生成太赫茲波，並在全頻段實驗性地驗證了時間標準水準的穩定度（千兆分之一）。該技術實現了在太赫茲頻段最高水平的光時鐘穩定度，產生的太赫茲波可以在毫赫（mHz）水平的準確度上進行即時調製。相關研究成果發表在《自然通訊》。
86.標準光纖數據傳輸創最快紀錄
一個國際聯合團隊創造了業界標準光纖傳輸速度新紀錄：67公里長的光纖上，資料傳輸速度高達1.7拍位元組/秒。新型光纖符合全球標準，因此不需要大規模修改基礎設施就可使用。同時最新方法使用更少的數位處理過程，大大降低了傳輸每個位元組資料所需的功率。研究人員表示，1拍字節相當於100萬吉字節，今天的家庭網路連線能達到1吉字節/秒的速度就很幸運了。因此，最新研究意味著一根頭髮粗細的光纖可承載100多萬個家庭網路的全速運行，且仍有餘力。該技術具有深遠的影響，可廣泛應用於多個領域，包括尋找圍繞遙遠恆星運行的行星、檢測疾病、識別污水管道的損壞等。
圖｜19芯光纖
來源：NICT
三
智慧
87、OpenAI正式發布GPT-4
OpenAI發布了多模態預訓練大模型GPT-4，GPT-4是一個多模態大模型（接受圖像和文字輸入，生成文字）。相較於上一代的GPT-3，GPT-4可以更準確地解決難題，具有更廣泛的常識和解決問題的能力：更具創造性和協作性；能夠處理超過25000個單詞的文本，允許長文內容建立、擴展對話以及文件搜尋和分析等用例。此外，GPT-4的高階推理能力超越了ChatGPT。在SAT等絕大多數專業測驗以及相關學術基準評測中，GPT-4的分數高於ChatGPT。 OpenAI花了6個月讓GPT-4更安全、更一致。在內部評估中，與GPT-3.5相比，GPT-4對不允許內容做出回應的可能性降低82%，給予事實性回應的可能性高40%。 GPT-4引進了更多人類回饋資料進行訓練，不斷吸取現實世界所使用的經驗教訓進行改進。 GPT-4的發布是人工智慧應用的里程碑事件，人工智慧可實現的功能越來越豐富，未來或將成為人類得心應手的工具。此成果入選兩院院士評選的「世界十大科技進展新聞」。
88.人工智慧首次成功從零生成原始蛋白質
美國研究人員創建了一個能夠從頭開始生成人造酵素的人工智慧（AI）系統。在實驗室測試中，儘管人工生成的氨基酸序列與任何已知的天然蛋白質之間存在顯著差異，但其中一些酶與自然界中發現的酶一樣有效。該實驗表明，自然語言處理雖然是為讀寫語言文本而開發的，但至少可以學習一些生物學的基本原理。 Salesforce Research 開發了一個名為ProGen 的AI 程序，該程式使用下一個標記預測將胺基酸序列組裝成人造蛋白質。科學家表示，這項新技術可能比諾貝爾獎的蛋白質設計技術定向進化更強大，並將透過加速可用於幾乎任何事物的新蛋白質的開發，為已有50 年歷史的蛋白質工程領域注入活力從治療到降解塑料。這項成果入選兩院院士評選的「世界十大科技進展新聞」。
89.人工智慧大模型為精準天氣預報帶來新突破
華為團隊在天氣預報領域取得了新突破。研究人員基於人工智慧方法，建構了一個三維深度神經網路模型，稱為盤古氣像大模型。大模型在某些氣像要素的預報精度上超越了傳統數值方法，且推理效率提高了數萬倍。在全球高解析度再分析數據上，盤古氣像大模型在溫度、氣壓、濕度、風速等重要天氣要素上，都取得了更準確的預測結果，將全球最先進的歐洲氣像中心整合預報系統的預報時效提高了0.6天左右。該研究成果入選「2023年度中國科學十大進展」。
圖｜經過使用40年間的天氣資料和模型訓練，AI現在可以以驚人的準確度預測颶風的路徑
來源：ALEX GERST/NASA
90、百億億次超級運算時代的來臨
美國Frontier計算機成為首台向科學用戶開放的公認百億億次級計算機，它能以每秒一百億億次運算的速度解決從氣候到材料等領域的挑戰。透過Frontier，研究人員能夠將兩個理論框架聯合起來，以幾乎完美的精度預測材料中多達60萬個電子的行為，而以前的計算大約只能處理1,000個電子。這使得團隊能夠模擬鎂合金中缺陷的形成、生長和移動，這項進展有助於推動超輕材料的發展，用於研發更節能的汽車和飛機。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能夠融入整個地球範圍內雲的形成的物理模型，預計這一進展將極大提升氣象預測。人們對超級運算的探索才剛開始。明年，新的百億億次級超級電腦預計將在美國加州和德國上線，法國和日本的其他超級電腦也將緊隨其後，人們正以前所未有的規模打開科學之門。該研究成果入選「《科學》2023年度十大突破」。
圖｜像美國橡樹嶺國家實驗室的Frontier這樣的百億億次級電腦為許多科學領域帶來了前所未有的運算能力
來源：Oak Ridge National Laboratory
91.全球首例非人靈長類動物介入式腦機介面試驗
2023年5月4日，全球首例非人靈長類動物介入式腦機介面試驗在北京獲得成功。該試驗在猴腦內實現了介入式腦機介面腦控機械手臂，標誌著中國腦機介面技術躋身國際領先行列。該試驗是在前期介入式腦機介面動物（羊）試驗基礎上取得的進一步成果，實現了介入式腦電訊號從被動採集到主動控制的技術飛躍，突破了血管內腦電訊號擷取、介入式腦電訊號辨識等核心技術。腦機介面技術可以將腦電訊號轉換為控制指令，從而幫助運動功能障礙患者（如：腦中風、漸凍症等）與外部設備交互，提升生活品質。在該技術研究過程中發現，侵入式腦機介面創傷大，例如美國馬斯克公司侵入式腦機介面試驗猴已有多隻死亡；非侵入式腦機介面易受大腦容積導體效應的影響，腦電訊號長期穩定性差。而中國研究團隊主導研發的介入式腦機接口，透過介入手術將介入腦電感測器貼附在猴腦血管壁上，無需開顱手術即可採集到顱內腦電訊號，相較於傳統侵入式和非侵入式腦機接口，兼顧了安全性、識別穩定性。
圖｜研究團隊正在進行介入式腦機介面控制機械手臂試驗
來源：南開大學
92.神經網路設計出全新蛋白質
蛋白質一直難以建模，尤其是人們想要「反向操作」——將所需的功能轉化為蛋白質結構，更是一個高難度挑戰。美國研究人員於2023年8月宣布將注意力神經網路與圖神經網路結合，以便更好地理解和設計蛋白質。此方法將幾何深度學習與語言模型的兩種優勢結合起來，不僅可預測現有蛋白質特性，還可設想自然界尚未設計出的新蛋白質。此次新模型透過對基本原理建模，將大自然發明的一切作為基礎，重新組合了這些自然構建塊。團隊在訓練模型時，根據不同蛋白質的功能來預測它們的序列、溶解度和胺基酸組成部分。然後，在收到新蛋白質功能的初始參數後，模型發揮創意並產生了全新的結構。
圖｜設計蛋白質生物材料的可視化範例
圖片來源：馬庫斯·比勒/《應用物理學雜誌》
93、AI類比晶片
《自然》2023年8月23日發表的研究報告了一個能效為傳統數位電腦晶片14倍的人工智慧（AI）類比晶片。該技術或能突破目前AI開發中因算力性能不足和效率不高而遇到的瓶頸。研究團隊此次開發了一個14奈米的類比晶片，在34個模組（tile）中含有3500萬個相變化記憶體單元。研究團隊用兩個語音辨識軟體在語言處理能力上測試了該晶片的效率，這兩個軟體分別是一個小網路（Google語音命令）和一個大網路（Librispeech語音辨識），並在自然語言處理任務上與業界標準進行比較。小網路的效能和準確率與目前的數位技術相當。對於更大的Librispeech模型來說，該晶片能達到每秒每瓦12.4兆次運算，系統效能估計最高能達到傳統通用處理器的14倍。
圖｜在檢測板上的14奈米模擬AI晶片
資料來源：雷恩萊文/《自然》網站
05
生態能源、交通與建設工程
一
生態與能源
94.全球最大實驗性核融合反應器開始運行
歐洲和日本共同建造和營運的核融合反應器JT-60SA正式投入運作。 JT-60SA為託卡馬克裝置，位於日本，高15.5米，可容納135立方米的等離子體。在國際熱核融合實驗器(ITER)建成之前，它是目前全球最大的核融合反應器。核融合是指輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核，同時釋放出巨大能量的過程，其原料資源豐富，且無污染排放。因此可控核融合被一直認為是人類解決能源問題的重要出路，視為人類「終極能源」。目前可控核融合技術路線主要有三種，分別為重力場約束核融合、雷射慣性約束核融合和磁約束核融合。其中，磁約束核融合目前研究的裝置包括託卡馬克、仿星器、反向場箍縮及磁鏡等。托克馬克被譽為"人造太陽"，其裝置的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電時內部會產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，以達到核融合的目的。 JT-60SA只使用氫和氘進行離子控制實驗，目標是將氣體加熱到攝氏2億度成為等離子體，再使用由28個超導線圈組成的強大磁鐵系統將等離子體限制約100秒。這項成果入選兩院院士評選的「2023年世界十大科技進展新聞」。
95.全球首座第四代核電廠投產
2023年12月6日，中國具有完全自主智慧財產權的全球首座第四代核電廠－華能石島灣高溫氣冷堆核電廠示範工程在穩定電功率水準上正式投產，轉入商業運行，標誌著中國在高溫氣冷堆核電技術領域已處於全球領先地位。目前，石島灣高溫氣冷堆核電廠首台（套）設備達2,200多台（套），創新設備有600餘台（套），設備國產化率達93.4%。核電廠的商運投產，對促進中國核電安全發展、提升中國核電科技創新能力等具有重要意義及正面影響。這項成果入選兩院院士評選的「2023年中國十大科技進展新聞」。
圖｜華能石島灣高溫氣冷堆核電廠示範工程外景
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，這場熱潮是基於地球內部自然產生的氫氣，這種氣體可能會成為氣候的解藥，而不是毒藥。勘探隊現在在除南極洲以外的每個大陸都發現了大量氫氣儲備的跡象。九月份，美國啟動了相關研究聯盟以及一項價值2,000萬美元的天然氫研發計畫。同時，美國研究機構一項未發表的研究表明，地球上可能儲存有1兆噸氫氣，足以滿足未來數千年燃料和肥料不斷增長的需求。該研究成果入選「《科學》2023年度十大突破」。
圖｜美國北卡羅來納州沿海的雷射雷達地圖上有數公里寬的圓形凹陷，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行
2023年，發現南極底部水溫升高，體積縮小，這兩個跡象顯示洋流的流速減緩，使得上方較溫暖的水體能夠侵入。更直接的證據來自於2023年3月發表在《通訊-地球與環境》雜誌的研究。研究人員將該地區歷史船隻測量的有限記錄輸入到氣候模型中，結果顯示自1970年代以來，環流流速已減緩了多達20%。隨後在五月，一項發表在《自然氣候變遷》上的研究利用船隻和浮標的測量數據，認為從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》2023年度十大突破」。
圖｜威德爾海（Weddell Sea）的濃密鹹海水有助於推動南大洋的水向深層循環。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.世界首個全鏈路全系統空間太陽能電站地面驗證系統落成啟用
太空太陽能電站（SSPS）是解決能源危機、實現永續發展的終極答案之一。工程院旗艦刊物《Engineering》於2023年11月30日系統通報了中國科研團隊完成的逐日工程——世界首個全鏈路、全系統SSPS地面驗證系統歐米伽SSPS。 SSPS創新設計方案、理論創新、技術突破、工程實現及實驗結果。遠距離高功率微波無線傳能效率（距離55m，發射2081瓦，波束收集效率87.3%，DC-DC傳輸效率15.05%）與功質比等主要技術指標全球領先。逐日工程突破的遠距離高功率微波無線傳能技術，應用前景廣闊。在太空，可協助建構太空能源網、空間充電樁，破解空間算力、星上資訊處理、空間攻防及超遠程探測的供電難題。在陸海空，可為空中飛艇、無人機群、海上移動平台、災害及邊遠區域無線供電。
99.首次在磁約束聚變等離子體中實現了氫—硼聚變實驗
日美科學家攜手，首次在磁約束聚變等離子體中實現了氫—硼聚變實驗。研究團隊表示，儘管最新試驗沒有產生淨能量增益，但它證明了無中子核融合的可行性，使製造更乾淨的聚變反應器成為可能。相關研究刊發於最新一期《自然通訊》雜誌。科學家在大型螺旋裝置中進行了氫—硼核聚變，並藉助偵測器，測量出了反應產物：氦核（α粒子）。研究團隊認為氫—硼是最乾淨、最具成本競爭力的聚變燃料，因為它不僅原料豐富，而且「實現了更清潔的聚變反應器的概念，反應產物只有三個α粒子。」研究團隊指出，他們設計的緊湊型線性裝置使用了先進的加速器束驅動場反位形（FRC）。 FRC是通用的，可適應所有目前可用的聚變燃料，包括氫—硼、氘—氚和氘—氦—3等。該裝置佔地緊湊，並有可能利用更高效的磁約束方法。與託卡馬克裝置相比，新方法將獲得高達100倍的功率輸出。研究團隊指出，最新研究並沒有產生淨能量增益，但它證明了無中子核融合的可行性及氫—硼核融合反應的潛力。儘管製造氫—硼聚變核心的挑戰比氘—氚更大，但反應器的工程設計將簡單得多。預計在2025年左右在其下一個反應器「哥白尼」上展示淨能量增益，本世紀30年代將建成第一座氫—硼聚變發電廠並連接到電網。
圖｜TAE公司的諾曼反應器
來源：TAE公司
圖｜在日本大型螺旋裝置的扭曲「腸道」內，每秒鐘都會發生數兆次氫—硼聚變反應
資料來源：日本國立聚變科學研究所/SCIENCE SOURCE
二
建設工程
100、構成全球最大清潔能源走廊
位於中國金沙江下游幹流的白鶴灘水力發電廠大壩為300公尺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築。電站安裝全球首批16台單機容量百萬瓩的水輪發電機組，引領水力發電進入單機百萬瓩新時代。白鶴灘水力發電廠與三峽工程、葛洲壩工程、烏東德水力發電廠、溪洛渡水電站、向家壩水力發電廠，構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，上海科學院科技發展部部長，研究員；鄒芸（上海科學院）；齊欣（上海社會科學院）。
來源| 三思派
英國海上貿易行動辦公室：收到阿聯酋東北部海域出現突發事件的報告
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