深研潛行，發(fā)現(xiàn)之路更堅(jiān)實(shí)——2023年世界科技發(fā)展回顧·基礎(chǔ)研究篇

俄羅斯

本報(bào)駐俄羅斯記者?董映璧

研究發(fā)現(xiàn)新分子磁體家族?數(shù)據(jù)保護(hù)法令攻擊難奏效

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(chǎng)來切換。俄羅斯南聯(lián)邦大學(xué)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。

俄羅斯南聯(lián)邦大學(xué)科學(xué)家發(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。
圖片來源：俄羅斯衛(wèi)星通訊社

俄頓河國(guó)立技術(shù)大學(xué)利用量子隱形傳態(tài)的特性來保護(hù)通信信道。研究人員開發(fā)了一個(gè)嵌入密碼系統(tǒng)的模塊，它可起到加密設(shè)備的作用，以進(jìn)一步提高消息的密碼強(qiáng)度。將模塊連接到現(xiàn)有的量子協(xié)議不會(huì)破壞這種平衡，相反，它有助于在同樣的臨時(shí)成本下提高信息安全水平。使用該方法所開發(fā)的加密算法將使數(shù)據(jù)攔截的復(fù)雜程度極大化，使“黑客”的努力變得毫無意義。

美國(guó)

本報(bào)記者?張佳欣

物質(zhì)研究窮幽極微?超導(dǎo)量子立足前沿

美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員首次揭示了宇宙中的核裂變現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)了裂變的潛在特征，這表明自然界可能會(huì)產(chǎn)生超出元素周期表中最重元素的超重原子核。斯坦福國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的Linac相干光源Ⅱ（LCLS-Ⅱ）X射線激光器歷時(shí)十多年終于完成了升級(jí)，成為目前世界上最亮的X射線設(shè)施，并發(fā)出了第一束亮度破紀(jì)錄的X射線，使研究人員能以無與倫比的細(xì)節(jié)記錄光合作用等生化反應(yīng)中原子和分子的行為。此外，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)還首次拍攝到了單原子X射線信號(hào)，這一突破性成就有望徹底改變檢測(cè)材料的方式。

美國(guó)科學(xué)家通過裂變模型發(fā)現(xiàn)了恒星中核過程的清晰痕跡。
圖片來源：洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

麻省理工學(xué)院—哈佛大學(xué)超冷原子中心首次在超冷氣體中觀察到玻色子增強(qiáng)的光散射，或?yàn)椴Ｉ酉到y(tǒng)的研究開辟新的可能性。芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用一種名為聲學(xué)分束器的設(shè)備來“分裂”聲子，邁出了創(chuàng)造新型量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵第一步。一項(xiàng)精確度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平的新測(cè)量證實(shí)，電子中電荷的分布基本上是完美的圓球形，該結(jié)果意味著，要解開宇宙中物質(zhì)為何多于反物質(zhì)這一謎團(tuán)需另辟蹊徑。而麻省理工學(xué)院物理學(xué)家成功地在純晶體中捕獲到電子，這是科學(xué)家首次在三維材料中實(shí)現(xiàn)電子平帶。

谷歌“量子人工智能”團(tuán)隊(duì)宣布，首次使用超導(dǎo)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(xué)亞倫·斯米諾團(tuán)隊(duì)證明一種超導(dǎo)量子比特，即磁通量量子比特保持量子特性的時(shí)間持續(xù)了約1.48毫秒，這是迄今最“長(zhǎng)壽”量子比特，有望使未來的量子計(jì)算機(jī)更實(shí)用。麻省理工學(xué)院首次展示了對(duì)量子隨機(jī)性的控制，這不僅讓科學(xué)家能重新審視量子光學(xué)中幾十年前的概念，還開啟了通向概率計(jì)算和超精密場(chǎng)感測(cè)領(lǐng)域的大門。芝加哥大學(xué)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到“量子超化學(xué)”現(xiàn)象，即同一量子態(tài)的粒子集體發(fā)生加速反應(yīng)的現(xiàn)象。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)將新型量子比特——電荷量子比特的相干時(shí)間延長(zhǎng)到0.1毫秒，為此前紀(jì)錄的一千倍，有望研制低成本大運(yùn)量的量子計(jì)算機(jī)。

英國(guó)

本報(bào)記者?劉霞

新理論統(tǒng)一物理學(xué)基本矛盾?量子領(lǐng)域涌現(xiàn)更多應(yīng)用技術(shù)

帝國(guó)理工學(xué)院物理學(xué)家借助一種能在飛秒內(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)，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)。倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)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(guó)和新加坡科學(xué)家攜手推出一種非侵入性光學(xué)測(cè)量方法，檢測(cè)納米物體位置時(shí)達(dá)到原子級(jí)分辨率，比傳統(tǒng)顯微鏡高出數(shù)千倍。牛津大學(xué)的4位化學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了讓兩個(gè)鈹原子在室溫下安全地鍵合在一起。

在量子領(lǐng)域，英國(guó)蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)和意大利科學(xué)家合作提出了一種“量子算盤”，其具有以可控方式與整數(shù)序列相關(guān)的能級(jí)的量子系統(tǒng)，能回答某個(gè)非常大的整數(shù)是否是質(zhì)數(shù)這樣的問題。劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)找到了一種控制有機(jī)半導(dǎo)體中光和量子“自旋”相互作用的方法，即使在室溫下也能發(fā)揮作用，為潛在的量子應(yīng)用開辟了新前景。布里斯托爾大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)出了一種機(jī)械臂，能讓科學(xué)家以前所未有的速度、細(xì)節(jié)和復(fù)雜性進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)。該校研究人員還發(fā)現(xiàn)紫銅可在絕緣體和超導(dǎo)體之間完美切換，能用作量子設(shè)備的理想“開關(guān)”。倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)家提出名為“經(jīng)典引力的后量子理論”的新理論，在保留了愛因斯坦的經(jīng)典時(shí)空概念同時(shí)，統(tǒng)一了引力學(xué)和量子力學(xué)。

量子技術(shù)激發(fā)更多應(yīng)用技術(shù)出現(xiàn)。英國(guó)科學(xué)家首次展示了一種新型激光雷達(dá)系統(tǒng)，其使用量子探測(cè)技術(shù)在水下獲取3D圖像，可用于檢查水下風(fēng)電場(chǎng)電纜和渦輪機(jī)等設(shè)備的水下結(jié)構(gòu)，也可用于監(jiān)測(cè)或勘測(cè)水下考古遺址，以及用于安全和防御等領(lǐng)域。帝國(guó)理工學(xué)院科學(xué)家在量子技術(shù)的啟發(fā)下，開發(fā)出一種新型全息攝影技術(shù)，用激光來構(gòu)建3D圖像，有望徹底改變3D場(chǎng)景重建，在自動(dòng)駕駛、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和量子計(jì)算等前沿技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。伯明翰大學(xué)和劍橋大學(xué)科學(xué)家開發(fā)了一種使用量子系統(tǒng)在室溫下探測(cè)中紅外光的新方法，能幫助科學(xué)家在單分子水平上進(jìn)行光譜分析，標(biāo)志著科學(xué)家在深入了解化學(xué)和生物分子方面有了重大進(jìn)步。

法國(guó)

本報(bào)駐法國(guó)記者?李宏策

大型對(duì)撞機(jī)重啟“撞出”多項(xiàng)成果?微波量子雷達(dá)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越”

2023年，在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，得益于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的全面重啟，位于法國(guó)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(shí)驗(yàn)”（FASER）首次探測(cè)到LHC產(chǎn)生的中微子，有望加深科學(xué)家對(duì)中微子的理解，揭示行進(jìn)較長(zhǎng)距離與地球發(fā)生碰撞的宇宙中微子。5月，CERN的超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)（ATLAS）和緊湊繆子線圈實(shí)驗(yàn)（CMS）實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)找到了希格斯玻色子衰變?yōu)閆玻色子和光子的首個(gè)證據(jù)，這種衰變有望提供間接證據(jù)，證明存在超出粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的新粒子。7月，科學(xué)家利用LHC發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“奇異的五夸克”的新粒子，有助于研究更復(fù)雜的衰變，揭示夸克在粒子內(nèi)部的結(jié)合情況。同月，ATLAS合作組報(bào)告了迄今最精確希格斯玻色子質(zhì)量：125.11吉電子伏特，新結(jié)果達(dá)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(chuàng)紀(jì)錄的精度（不確定度低于1%）確定了強(qiáng)力的強(qiáng)度。9月，CERN報(bào)告了對(duì)反氫原子自由下落的首個(gè)直接觀測(cè)結(jié)果，有助于解決宇宙形成初期反物質(zhì)比重之謎。

位于法國(guó)瑞士邊境的CERN的FASER粒子探測(cè)器。
圖片來源：加州大學(xué)歐文分校

在量子領(lǐng)域，法國(guó)和美國(guó)科學(xué)家開發(fā)了一種可揭示量子計(jì)算機(jī)出錯(cuò)位置的新方法，將識(shí)別量子計(jì)算錯(cuò)誤的能力提升了10倍。這一研究將促進(jìn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的研制，其原理未來還可能適用于量子密碼、量子化學(xué)等領(lǐng)域。法國(guó)國(guó)家科學(xué)院里昂高等師范學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出了首個(gè)基于微波的量子雷達(dá)，利用兩種微波輻射之間的關(guān)聯(lián)來工作，這種關(guān)聯(lián)超出了經(jīng)典物理理論的范圍，使其性能比現(xiàn)有傳統(tǒng)雷達(dá)高20%，實(shí)現(xiàn)了所謂的“量子優(yōu)越性”。

韓國(guó)

本報(bào)駐韓國(guó)記者?薛嚴(yán)

室溫超導(dǎo)風(fēng)波引發(fā)全球圍觀?實(shí)現(xiàn)量子自旋波4D觀察

韓國(guó)量子能源研究所團(tuán)隊(duì)去年7月在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上發(fā)布論文稱，他們研發(fā)的一種被命名為“LK-99”的材料具備超導(dǎo)性，超導(dǎo)臨界溫度在127℃左右，而且在常壓下就具備超導(dǎo)性。該研究成果發(fā)表后，在科學(xué)界引起廣泛關(guān)注，同時(shí)也受到不同角度的質(zhì)疑。韓國(guó)超導(dǎo)和低溫學(xué)會(huì)“LK-99”驗(yàn)證委員會(huì)8月3日表示，由于與“LK-99”相關(guān)的影像和論文中沒有呈現(xiàn)邁斯納效應(yīng)，不足以證明“LK-99”是室溫超導(dǎo)體。這場(chǎng)風(fēng)波直接導(dǎo)致國(guó)際科學(xué)界對(duì)此后韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在量子研究領(lǐng)域發(fā)布的成果“持保留態(tài)度”。

東國(guó)大學(xué)、漢陽大學(xué)等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)量子計(jì)算機(jī)關(guān)鍵器件進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種全新的來自硅金屬的獨(dú)特信號(hào)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子“自旋云”（一種在極低溫度下出現(xiàn)的特征）凝聚時(shí)會(huì)出現(xiàn)新現(xiàn)象，該信號(hào)正來自這個(gè)現(xiàn)象，屬于一種具有玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)特性的新材料。該發(fā)現(xiàn)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(tài)研究邁進(jìn)了一步，甚至有助于創(chuàng)造室溫超導(dǎo)體。

浦項(xiàng)科技大學(xué)浦項(xiàng)加速器實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)量子自旋波的4D觀察。該研究通過光技術(shù)產(chǎn)生的量子自旋波揭示了控制鐵電極化的可能性。

德國(guó)

本報(bào)駐德國(guó)記者?李山

原創(chuàng)性研究穩(wěn)扎穩(wěn)打?突破性進(jìn)展不斷涌現(xiàn)

2023年，德國(guó)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的研究進(jìn)展。例如首次在拓?fù)浣^緣體中制造出激子，為新一代光控電腦芯片和量子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)；首次在兩塊納米芯片上同時(shí)控制兩個(gè)量子光源，并讓其實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)糾纏，這是計(jì)算機(jī)、加密和互聯(lián)網(wǎng)加速“量子化”的關(guān)鍵一步；首次成功測(cè)量了一類新型量子材料內(nèi)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(shù)的發(fā)展開辟新途徑；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，有望成為可編程光量子處理器的基本組件。

拓?fù)浣^緣體鉍烯上的3個(gè)激子（由一個(gè)電子和一個(gè)電子空穴組成的對(duì)）。由于蜂窩狀原子結(jié)構(gòu)，電子只能沿著邊緣流動(dòng)。
圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

突破性進(jìn)展方面，德國(guó)創(chuàng)造出迄今最短的電子短脈沖，持續(xù)時(shí)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(jì)算機(jī)芯片中數(shù)據(jù)的傳輸速度。

在歐洲XFEL X射線激光器上，德國(guó)科學(xué)家以鈧元素為基礎(chǔ)，制造出了一種更為精確的脈沖發(fā)生器，其精確度達(dá)到了每3000億年一秒，比目前以銫為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘精確了約1000倍。科學(xué)家制造出一個(gè)長(zhǎng)度僅為0.2毫米的粒子加速器，是第一個(gè)能產(chǎn)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。德國(guó)核聚變裝置仿星器Wendelstein 7-X重啟后，核聚變實(shí)現(xiàn)了1.3吉焦耳的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，放電時(shí)間達(dá)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(shí)現(xiàn)介子原子中核反沖效應(yīng)的量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算。STEREO國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)證實(shí)了核反應(yīng)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(shù)學(xué)解決方案，可準(zhǔn)確評(píng)估溫稠密物質(zhì)的溫度。該物質(zhì)狀態(tài)方程研究，對(duì)于地球物理、天體物理和慣性約束聚變領(lǐng)域具有重要意義。

德國(guó)科學(xué)家在國(guó)際空間站上將鉀原子和銣原子冷卻到接近絕對(duì)零度，對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的基本原理開展了迄今最精確的測(cè)試。

日本

本報(bào)記者?張夢(mèng)然

首次發(fā)現(xiàn)富含中子鈾同位素?量子計(jì)算機(jī)用于單分子測(cè)量

日本與韓國(guó)科學(xué)家發(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，其研究方法可用來進(jìn)一步了解其他重元素的同位素，也有望發(fā)現(xiàn)新同位素。東京工業(yè)大學(xué)近藤洋介團(tuán)隊(duì)及多國(guó)研究人員通過將氟原子高能束粉碎成液態(tài)氫，首次創(chuàng)造出氧-28（一種含有8個(gè)質(zhì)子和20個(gè)中子的氧同位素），但這種有史以來最重的氧竟會(huì)神秘迅速地分解。這一發(fā)現(xiàn)意味著人們對(duì)自然基本力的理解存在問題。

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

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(cè)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(fā)現(xiàn)、癌癥診斷和傳染病研究等領(lǐng)域大顯身手。沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）、德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作，利用量子力學(xué)原理設(shè)計(jì)并制造出一種不依賴于傳統(tǒng)燃料燃燒方式的引擎，而是依據(jù)粒子在極小尺度上遵守的特殊規(guī)則。東京大學(xué)科學(xué)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(jí)排列量子傳感器的精細(xì)任務(wù)，從而能夠檢測(cè)磁場(chǎng)中的極小變化，實(shí)現(xiàn)了高分辨率磁場(chǎng)成像。

南非