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
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”。
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
6、发现大脑“有形”生物钟的存在及其节律调控机制
图｜大脑“有形”生物钟
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
9、揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制
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
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
图｜构建人类免疫系统发育时空图谱
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
图｜吉林白城，种上AT1/GS3改良过水稻的实验田
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
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
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
22、全球首款CRISPR基因编辑疗法获批上市
图｜CRISPR基因编辑
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
图｜GLP-1激动剂当选《科学》期刊的2023年度科学突破
25、致幻剂能够帮助创伤后应激障碍和抑郁症的治疗
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
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
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
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
30、人类眼球首次移植成功
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
图丨一名假肢测试员使用新设备来确定哪一罐可乐最冷
32、首个按需服用的男性避孕药
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
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）
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
36、卫星首次成功向地球传送太阳能
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
图｜“中国天眼”全景
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
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
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
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
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”（ThreeForks）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（16Psyche）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。
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
物质世界
44、首次实现单原子X射线探测
图｜单原子X射线首次探到的实验示意图
45、首次发现富含中子铀同位素
图｜日本科学家首次造出氧-28，其有8个质子和20个中子
46、迄今最小粒子加速器问世
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
图｜利用量子计算机鉴定单分子示意图
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
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
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
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）
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14GPa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
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
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
60、3D打印制成迄今最具弹性新合金
图｜GRX-810微结构的高分辨率表征
61、新型镍-钼催化剂
62、新一代全固体电池用氯化物电解质材料
63、创纪录的炭基超级电容材料
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
图｜原始双缝实验艺术图
04
智能、信息、通信
芯片
67、新款忆阻器存算一体芯片成功研制
图｜忆阻器存算一体芯片及测试系统
68、超越硅基极限的二维晶体管问世
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
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
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“BBCube3D”，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。BBCube3D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，BBCube3D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
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
图｜量子真纠缠态比特数目的发展历史
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
图｜量子计算原型机“九章三号”实验装置示意图
77、首个基于微波的量子雷达
图｜超导电路的光学图像是量子雷达实验的核心
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
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｜AtomComputing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
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
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
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。