深研潛行，發現之路更堅實

俄羅斯科學家發現鈷、鐵和鎳的非典型復雜化合物可能表現出單離子磁體的特性。圖片來源：俄羅斯衛星通訊社

單分子磁體（SMM）是單個分子或原子能夠保持自旋力矩—磁化方向的材料。它們的狀態可通過外部磁場來切換。俄羅斯南聯邦大學研究人員發現，鈷、鐵和鎳的非典型復雜化合物可能表現出單離子磁體的特性。這一研究成果有助于利用此類物質制造高效電子元件，存儲超高密度信息，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，并開發基于電子自旋特性的新技術，如量子計算設備。

俄頓河國立技術大學利用量子隱形傳態的特性來保護通信信道。研究人員開發了一個嵌入密碼系統的模塊，它可起到加密設備的作用，以進一步提高消息的密碼強度。將模塊連接到現有的量子協議不會破壞這種平衡，相反，它有助于在同樣的臨時成本下提高信息安全水平。使用該方法所開發的加密算法將使數據攔截的復雜程度極大化，使“黑客”的努力變得毫無意義。

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

日本與韓國科學家發現了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241，其原子序數為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，其研究方法可用來進一步了解其他重元素的同位素，也有望發現新同位素。東京工業大學近藤洋介團隊及多國研究人員通過將氟原子高能束粉碎成液態氫，首次創造出氧-28（一種含有8個質子和20個中子的氧同位素），但這種有史以來最重的氧竟會神秘迅速地分解。這一發現意味著人們對自然基本力的理解存在問題。

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于單分子測量，證明了其在基因組分析中大有潛力，有望使超快速基因組分析在藥物發現、癌癥診斷和傳染病研究等領域大顯身手。沖繩科學技術大學院大學（OIST）、德國凱澤斯勞滕大學和斯圖加特大學的科學家團隊合作，利用量子力學原理設計并制造出一種不依賴于傳統燃料燃燒方式的引擎，而是依據粒子在極小尺度上遵守的特殊規則。東京大學科學家利用六方氮化硼二維層中的硼空位，首次完成了在納米級排列量子傳感器的精細任務，從而能夠檢測磁場中的極小變化，實現了高分辨率磁場成像。

美國科學家通過裂變模型發現了恒星中核過程的清晰痕跡。圖片來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究人員首次揭示了宇宙中的核裂變現象，他們發現了裂變的潛在特征，這表明自然界可能會產生超出元素周期表中最重元素的超重原子核。斯坦福國家加速器實驗室的Linac相干光源Ⅱ（LCLS-Ⅱ）X射線激光器歷時十多年終于完成了升級，成為目前世界上最亮的X射線設施，并發出了第一束亮度破紀錄的X射線，使研究人員能以無與倫比的細節記錄光合作用等生化反應中原子和分子的行為。此外，科學家團隊還首次拍攝到了單原子X射線信號，這一突破性成就有望徹底改變檢測材料的方式。

麻省理工學院—哈佛大學超冷原子中心首次在超冷氣體中觀察到玻色子增強的光散射，或為玻色子系統的研究開辟新的可能性。芝加哥大學普利茲克分子工程學院一個研究團隊使用一種名為聲學分束器的設備來“分裂”聲子，邁出了創造新型量子計算機的關鍵第一步。一項精確度達到創紀錄水平的新測量證實，電子中電荷的分布基本上是完美的圓球形，該結果意味著，要解開宇宙中物質為何多于反物質這一謎團需另辟蹊徑。而麻省理工學院物理學家成功地在純晶體中捕獲到電子，這是科學家首次在三維材料中實現電子平帶。

谷歌“量子人工智能”團隊宣布，首次使用超導量子處理器觀察到非阿貝爾任意子的特殊行為。馬里蘭大學亞倫·斯米諾團隊證明一種超導量子比特，即磁通量量子比特保持量子特性的時間持續了約1.48毫秒，這是迄今最“長壽”量子比特，有望使未來的量子計算機更實用。麻省理工學院首次展示了對量子隨機性的控制，這不僅讓科學家能重新審視量子光學中幾十年前的概念，還開啟了通向概率計算和超精密場感測領域的大門。芝加哥大學科學家首次在實驗室觀測到“量子超化學”現象，即同一量子態的粒子集體發生加速反應的現象。阿貢國家實驗室團隊將新型量子比特——電荷量子比特的相干時間延長到0.1毫秒，為此前紀錄的一千倍，有望研制低成本大運量的量子計算機。

帝國理工學院物理學家借助一種能在飛秒內改變特性的“超材料”，在時間而非空間維度重現了著名的雙縫實驗，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。倫敦大學學院科學家利用極冷鋼珠，首次制造出一種名為“中密度無定形冰”的全新形式的冰，有助更好地理解水在低溫下的行為。英國和新加坡科學家攜手推出一種非侵入性光學測量方法，檢測納米物體位置時達到原子級分辨率，比傳統顯微鏡高出數千倍。牛津大學的4位化學家首次實現了讓兩個鈹原子在室溫下安全地鍵合在一起。

在量子領域，英國蘇格蘭圣安德魯斯大學和意大利科學家合作提出了一種“量子算盤”，其具有以可控方式與整數序列相關的能級的量子系統，能回答某個非常大的整數是否是質數這樣的問題。劍橋大學領導國際研究團隊找到了一種控制有機半導體中光和量子“自旋”相互作用的方法，即使在室溫下也能發揮作用，為潛在的量子應用開辟了新前景。布里斯托爾大學科學家領導開發出了一種機械臂，能讓科學家以前所未有的速度、細節和復雜性進行量子實驗。該校研究人員還發現紫銅可在絕緣體和超導體之間完美切換，能用作量子設備的理想“開關”。倫敦大學學院科學家提出名為“經典引力的后量子理論”的新理論，在保留了愛因斯坦的經典時空概念同時，統一了引力學和量子力學。

量子技術激發更多應用技術出現。英國科學家首次展示了一種新型激光雷達系統，其使用量子探測技術在水下獲取3D圖像，可用于檢查水下風電場電纜和渦輪機等設備的水下結構，也可用于監測或勘測水下考古遺址，以及用于安全和防御等領域。帝國理工學院科學家在量子技術的啟發下，開發出一種新型全息攝影技術，用激光來構建3D圖像，有望徹底改變3D場景重建，在自動駕駛、增強現實和量子計算等前沿技術領域大顯身手。伯明翰大學和劍橋大學科學家開發了一種使用量子系統在室溫下探測中紅外光的新方法，能幫助科學家在單分子水平上進行光譜分析，標志著科學家在深入了解化學和生物分子方面有了重大進步。

位于法國瑞士邊境的CERN的FASER粒子探測器。圖片來源：加州大學歐文分校

2023年，在粒子物理學領域，得益于大型強子對撞機（LHC）的全面重啟，位于法國瑞士邊境的歐洲核子研究中心（CERN）在去年取得了一系列重要科研成果。3月，CERN所屬的“前向搜索實驗”（FASER）首次探測到LHC產生的中微子，有望加深科學家對中微子的理解，揭示行進較長距離與地球發生碰撞的宇宙中微子。5月，CERN的超環面儀器實驗（ATLAS）和緊湊繆子線圈實驗（CMS）實驗團隊找到了希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子的首個證據，這種衰變有望提供間接證據，證明存在超出粒子物理學標準模型預測的新粒子。7月，科學家利用LHC發現了一種被稱為“奇異的五夸克”的新粒子，有助于研究更復雜的衰變，揭示夸克在粒子內部的結合情況。同月，ATLAS合作組報告了迄今最精確希格斯玻色子質量：125.11吉電子伏特，新結果達到了前所未有的0.09%的精度；ATLAS合作組還使用弱力的電中性載體——Z玻色子，以創紀錄的精度（不確定度低于1%）確定了強力的強度。9月，CERN報告了對反氫原子自由下落的首個直接觀測結果，有助于解決宇宙形成初期反物質比重之謎。

在量子領域，法國和美國科學家開發了一種可揭示量子計算機出錯位置的新方法，將識別量子計算錯誤的能力提升了10倍。這一研究將促進大規模量子計算機的研制，其原理未來還可能適用于量子密碼、量子化學等領域。法國國家科學院里昂高等師范學院的科學家開發出了首個基于微波的量子雷達，利用兩種微波輻射之間的關聯來工作，這種關聯超出了經典物理理論的范圍，使其性能比現有傳統雷達高20%，實現了所謂的“量子優越性”。

韓國量子能源研究所團隊去年7月在預印本網站arXiv上發布論文稱，他們研發的一種被命名為“LK-99”的材料具備超導性，超導臨界溫度在127℃左右，而且在常壓下就具備超導性。該研究成果發表后，在科學界引起廣泛關注，同時也受到不同角度的質疑。韓國超導和低溫學會“LK-99”驗證委員會8月3日表示，由于與“LK-99”相關的影像和論文中沒有呈現邁斯納效應，不足以證明“LK-99”是室溫超導體。這場風波直接導致國際科學界對此后韓國研究團隊在量子研究領域發布的成果“持保留態度”。

東國大學、漢陽大學等聯合研究團隊在對量子計算機關鍵器件進行研究時，發現了一種全新的來自硅金屬的獨特信號。實驗發現，當量子“自旋云”（一種在極低溫度下出現的特征）凝聚時會出現新現象，該信號正來自這個現象，屬于一種具有玻色—愛因斯坦凝聚態特性的新材料。該發現不僅為提高量子器件性能提供了新材料，也為控制新量子凝聚態研究邁進了一步，甚至有助于創造室溫超導體。

浦項科技大學浦項加速器實驗室科研團隊利用第四代線性同步加速器（X射線自由電子激光器）成功實現了對量子自旋波的4D觀察。該研究通過光技術產生的量子自旋波揭示了控制鐵電極化的可能性。

德國科學家首次在拓撲絕緣體鉍烯上造出激子。圖片來源：物理學家組織網

2023年，德國在基礎研究領域取得多項國際領先的研究進展。例如首次在拓撲絕緣體中制造出激子，為新一代光控電腦芯片和量子技術奠定了基礎；首次在兩塊納米芯片上同時控制兩個量子光源，并讓其實現量子力學糾纏，這是計算機、加密和互聯網加速“量子化”的關鍵一步；首次成功測量了一類新型量子材料內的電子自旋，有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辟新途徑；首次將能發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備的1/1000以下，有望成為可編程光量子處理器的基本組件。

突破性進展方面，德國創造出迄今最短的電子短脈沖，持續時間僅為53阿秒，速度之快足以讓顯微鏡捕捉到電子在原子間跳躍的圖像。該突破有望催生更精確的電子顯微鏡，還可加快計算機芯片中數據的傳輸速度。

在歐洲XFEL X射線激光器上，德國科學家以鈧元素為基礎，制造出了一種更為精確的脈沖發生器，其精確度達到了每3000億年一秒，比目前以銫為基礎的標準原子鐘精確了約1000倍。科學家制造出一個長度僅為0.2毫米的粒子加速器，是第一個能產生快速且聚焦良好的電子束的微型加速器，可將電子加速到每秒10萬公里，有望應用于醫學領域。德國核聚變裝置仿星器Wendelstein 7-X重啟后，核聚變實現了1.3吉焦耳的實驗目標，放電時間達到了新的最佳值，熱等離子體可以維持8分鐘。

理論研究方面，馬克斯·普朗克核物理研究所實現介子原子中核反沖效應的量子電動力學計算。STEREO國際合作團隊證實了核反應堆釋放的中微子通量異常，但排除了惰性中微子存在的跡象。德累斯頓—羅森多夫亥姆霍茲中心展示了一種數學解決方案，可準確評估溫稠密物質的溫度。該物質狀態方程研究，對于地球物理、天體物理和慣性約束聚變領域具有重要意義。

德國科學家在國際空間站上將鉀原子和銣原子冷卻到接近絕對零度，對愛因斯坦廣義相對論的基本原理開展了迄今最精確的測試。

2023年6月，南非啟動新的同位素設施（SAIF）用于推進抗擊癌癥的研究。該設施由科學與創新部支持和資助，是開普敦iThemba LABS的旗艦項目。30多年來，iThemba LABS一直為本地和國際核醫學和研究界生產放射性同位素。目前，每年約有5000名南非癌癥患者受益，預計隨著SAIF生產能力的提高和新同位素的出現，這些數字可能會增加5～7倍。SAIF放射性同位素療法用于治療癌癥具有靶向穩定、對健康細胞造成危害最小的特點。

南非還啟動和平利用核能的研究。2023年南非科創部指定并委托南非科學院評估南非和平利用核技術的研究、發展和創新狀況。這項研究的一個重要目標是編制關于核技術前景的基線資料，以協助制訂監測和評價南非和平利用核技術的潛在受益的目標和指標。