歲月不居，時節如流。轉眼間，2023年已步入尾聲。這一年給我們留下了太多值得銘記的精彩時刻：我國科學家成功制備并驗證51個超導量子比特的真糾纏，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性；墨子巡天望遠鏡開啟巡天觀測，“首秀”邂逅仙女座星系；全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗成功完成，腦機接口未來已來……
回首過往，我國科研人員勇攀高峰，創下一個又一個新紀錄。展望未來，追逐前沿、崇尚創新的他們將收獲更多驚喜！
實現百兆比特率量子密鑰分發
成碼率國際紀錄提高一個數量級
基于量子力學基本原理，量子密鑰分發可以實現原理上無條件安全的保密通信。我國科學家通過發展高保真度集成光子學量子態調控、高計數率超導單光子探測等關鍵技術，首次在國際上實現百兆比特率的實時量子密鑰分發，實驗結果將此前的成碼率紀錄提升了一個數量級。3月14日，這一成果論文在線發表于國際學術期刊《自然·光子學》。
量子密鑰分發可以通俗地理解為在網絡中額外加入一個環節，雙方通過密碼驗證，確保安全后，再進行信息傳輸。提高成碼率對量子密鑰分發實用化至關重要。高碼率可為更多用戶提供服務，實現大數據共享、分布式存儲加密等高帶寬需求的應用。
此前國際上最高的實時成碼率是10公里標準光纖信道下10兆比特每秒。我國科學家突破集成光子片上高速高保真度偏振態調制等技術，實現了10公里標準光纖信道下115.8兆比特每秒的密鑰率，較之前紀錄提高了約一個數量級。系統穩定運行超過50個小時，在傳輸距離328公里下碼率超過200比特每秒。
實現百兆比特率的實時密鑰分發，將有可能在對數據安全要求高的領域創造新的機會，推動滿足高帶寬通信需求和未來量子通信的大規模實際應用，使量子密鑰分發技術走進現實。
室溫超快氫負離子導體問世
可用于新型電池研發
4月，我國科學家提出了一種全新的材料設計研發策略，通過機械化學方法，在稀土氫化物——氫化鑭晶格中故意制造大量的缺陷和納米微晶，研發出首個室溫環境下超快氫負離子導體。相關研究論文4月5日發表于《自然》。
氫負離子具有強還原性及高氧化還原電勢等特點，是一種頗具潛力的氫載體和能量載體。在室溫環境下表現出超離子傳導的氫負離子導體材料，將為構建全新的全固態氫化物電池、燃料電池提供巨大的機遇，有望在未來實現一系列的技術革新。
早在20世紀的變色玻璃研究中，研究者就發現氫化鑭具有快速的氫遷移能力，但其電子電導也很高。近幾年，科研人員往氫化鑭晶格中引入氧使其形成氧氫化物以抑制其電子傳導，但氧的引入也同時顯著阻礙了氫負離子的傳導。此前報道的氫負離子導體只能在300℃左右實現超快傳導，而我國科學家的創新工作實現了在溫和條件下（-40℃至80℃溫度范圍內）的超快離子傳導。此外，研究人員還首次實現了室溫全固態氫負離子電池的放電，證實了這種全新的二次電池的可行性。
研究者建立的材料結構調變方法具有一定的普適性，有望為氫負離子導體的研發打開局面。《自然》審稿人評價，該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。
非人靈長類介入式試驗成功
促進腦機接口從實驗室邁向應用
腦機接口未來已來，人類與人工智能共生或不再遙遠。5月4日，全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功，該試驗在猴腦內實現了介入式腦機接口腦控機械臂。介入式腦電傳感器通過頸靜脈，進入矢狀竇，到達猴運動皮層腦區，在術后成功采集并識別非人靈長類動物介入式腦電信號。此試驗實現了動物對機械臂的主動控制。
腦機接口技術是一種變革性的人機交互技術，其作用機制是繞過外周神經和肌肉，直接在大腦與外部設備之間建立一種全新的通信與控制通道。它具有監測、替代、改善/恢復受損或有障礙的自然中樞神經系統輸出輸入的功效。
目前，腦機接口研究大多處于基礎研究階段，也取得了一些臨床成果。2022年，美國研究人員完成了全球首例雙邊植入腦機接口人體試驗，一位癱瘓30年的受試者通過腦電信號成功地操控機械，完成了遞送蛋糕和自主進食。在我國，上海瑞金醫院從2020年開始通過腦機接口和腦深部電刺激方法，治療難治性抑郁癥。
此次在非人靈長類動物腦內開展的介入式腦機接口試驗的研究成果，促進了介入式腦機接口從實驗室前瞻性研究向臨床應用邁進，對推動腦科學領域研究具有重要意義，標志著我國腦機接口技術躋身國際領先行列。未來，該技術在腦疾病醫療康復領域將具有廣闊的市場前景。
他山之“猴”助解人類演化謎題
更好地認識“人何以成為人”
人類是如何起源的？社會行為是如何形成的？聰明的大腦是如何演化而來的……在解答關于人類的重要謎題時，科學家把目光投向人類的“近親”——非人靈長類動物。6月2日，11篇關于非人靈長類動物起源和演化的論文發表在《科學》《科學·進展》《自然·生態與演化》等國際期刊，讓人類離破解生命演化謎題更進一步。
這11篇論文與我國科學家主導的靈長類基因組計劃密不可分。靈長類基因組計劃由我國科學家發起。目前，研究取得了多項成果和新發現，包括推斷出所有靈長類的最近共同祖先出現在大約6829萬年至6495萬年前，距離6550萬年前的白堊紀末期大滅絕事件非常近，意味著“靈長類動物的演化可能受到物種大滅絕事件的影響”；揭示了靈長類前肢形態形成以及猿類尾部消失等現象的分子機制；重新解釋了人類8號染色體的起源問題……
靈長類基因組計劃取得的重大科學突破，將使我們更好地認識靈長類早期到現代人的整個演化歷程，從而制定針對靈長類動物多樣性保護的政策，開發和利用遺傳資源。
刷新量子系統真糾纏比特數紀錄
實現51個超導量子比特簇態制備
今年的熱門科幻電影《流浪地球2》中，智能量子計算機MOSS給觀眾留下了深刻印象。7月，來自中國科學技術大學等單位的研究人員成功實現51個超導量子比特簇態制備和驗證，刷新了所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄，讓科幻有望照進現實。相關研究論文7月12日在線發表于《自然》。
超導量子計算被普遍認為是最有可能率先實現實用化量子計算的方案之一。量子比特是量子計算的基本單元，不同于非“0”即“1”的經典比特，它可以同時處于“0”和“1”疊加態，即“量子相干疊加態”。當人們把量子疊加拓展到多量子比特體系，就自然導致了量子糾纏的概念。多個量子比特一旦實現了相干疊加，其代表的狀態空間將會隨著量子比特的數目增多而呈指數增長，從而實現量子計算加速效應。
多年以來，實現大規模的多量子比特糾纏一直是各國科學家奮力追求的目標。我國科學家在超導量子比特多體糾纏制備方面取得了一系列重要成果，自2017年起，先后完成了10比特、12比特、18比特的真糾纏態制備。
此次研究將量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由原先的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。這對于研究多體量子糾纏、實現大規模量子算法以及基于測量的量子計算等具有重要意義。
大規模的多量子比特糾纏，將幫助我們更深入地洞悉量子世界的奧秘。未來，在量子信息時代，糾纏將作為一種獨特的資源，為人類社會帶來更安全的通信、更快速的計算、更精密的計量……
侏羅紀陸相動物群“現身”福建
彌補鳥類起源的時空鏈條
9月6日在線發表于《自然》的論文顯示，經過近3年的野外發掘，來自中國科學院古脊椎動物與古人類研究所等單位的研究人員，在福建省發現了一個新的陸相生物群——政和動物群。該生物群是已知侏羅紀地理位置最靠南的、保存有鳥翼類的動物群，其年代為距今1.48億年—1.5億年，處于侏羅紀最晚期。
目前，學術界將“包括所有鳥類，但不包括恐爪龍類的最廣義類群”定義為鳥翼類，而鳥類則指的是現代鳥類及其近親。鳥類至少在晚侏羅世就和非鳥類獸腳類恐龍發生分化。因此，侏羅紀的鳥翼類對研究鳥類的起源、關鍵形態和生物學特征演化至關重要。
已知的侏羅紀鳥翼類僅有近鳥龍和其相似物種，物種數目稀少，而且地理分布單一，多分布在我國東北地區距今1.59億年的燕遼生物群。這與之后白堊紀早期出現的大量鳥類在時間上有長達3000萬年的空白。
從2021年開始，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所和福建省地質調查研究院聯合，在福建省多個晚中生代盆地開展大規模野外發掘。2022年10月23日，研究團隊在政和晚侏羅世地層發現了一件保存近乎完整的恐龍化石。經過8個月的修復和研究，研究團隊確認該化石屬于鳥翼類，并將其命名為奇異福建龍，這是福建省首次發現恐龍化石。
研究發現，奇異福建龍與近鳥龍類構成單系類群，是鳥翼類最早分異的一支。奇異福建龍的發現，增加了原始鳥翼類的生態多樣性，增進了學界對于鳥類起源伊始生態習性演化的認知。
豬體內“長”出人體中期腎臟
推動解決供體器官嚴重短缺難題
9月7日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院研究團隊在國際學術期刊《細胞·干細胞》上發表封面論文，報道了利用胚胎補償技術在豬體內成功再造人源中腎的策略。
器官移植已成為多種終末期疾病的唯一有效治療手段，但供體器官嚴重缺乏限制了這一療法在臨床上的廣泛應用。基于干細胞的器官異種動物體內再生將是未來解決這一問題的理想途徑。
該研究中，研究人員利用新型人誘導多能干細胞，結合優化的胚胎補償技術體系，在腎臟缺陷豬模型體內實現了人源化中腎的異種體內再生。這是世界范圍內首次報道的人源化功能性器官異種體內再生案例。
研究者稱，通過該途徑獲得的人源化器官不僅具有更全面的細胞類型和更完善的器官結構與功能，且由于供體細胞來源于患者自體，能有效避免異種器官或同種異體器官移植中存在的免疫排斥等問題。
研究團隊開展了5年多的探索，對人—豬胚胎補償技術體系進行了全方位優化，最終確定了理想的胚胎補償技術流程，成功實現了人源化中腎的異種體內再生。該成果首次證明了基于干細胞及胚胎補償技術在異種大動物體內再造人源化功能性實質器官的可行性，為利用器官缺陷大動物模型進行器官異種體內再生邁出了關鍵的第一步，對解決供體器官嚴重短缺難題具有重要意義。
墨子巡天望遠鏡開啟觀測
“首秀”邂逅仙女座星系
綺夢般層層疊疊的藍紫色塵埃云散發著柔和朦朧的光彩，這是一張“新鮮”的仙女座星系照片。它由每次30秒共計150次曝光所得到的照片疊加合成，出自墨子巡天望遠鏡。9月17日，中國科學技術大學—紫金山天文臺大視場巡天望遠鏡——墨子巡天望遠鏡在青海冷湖天文基地正式開啟巡天觀測。它的“首秀”之作，邂逅了距離地球約250萬光年的仙女座星系。
仙女座星系是距離銀河系最近和最大的旋渦星系。它的結構特點和金屬豐度與銀河系相近，是探索銀河系及同類星系形成與演化的理想研究對象。墨子巡天望遠鏡拍攝到的這張照片，揭示了仙女座星系及其周圍天體的明亮至暗弱星光分布特征，可以用于細致刻畫星系內部及星系間相互作用的動力學過程。
墨子巡天望遠鏡坐落于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮賽什騰山，為北半球光學時域巡天能力最強設備，也是冷湖天文基地望遠鏡群中口徑最大的望遠鏡。它具備強大的巡天能力，能夠每3個晚上巡測整個北天球一次。它可監測移動天體和光變天體，用于高效搜尋和監測天文動態事件，有望在高能時域天文、太陽系天體普查、銀河系結構和近場宇宙學等領域取得突破性原始創新成果。
巡天望仙，步履不停。未來，墨子巡天望遠鏡還將揭開宇宙深處的更多秘密。
高比例胚胎干細胞嵌合體猴誕生
非人靈長類疾病模型迎來新突破
曾培育出首個體細胞克隆猴的科研團隊，再次迎來新突破。
歷時5年攻關，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心牽頭的聯合團隊，在國際上首次成功構建高比例胚胎干細胞貢獻的出生存活嵌合體猴。該研究成果論文于11月9日在線發表于國際期刊《細胞》。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心學術主任蒲慕明院士評價，這一成果對于生物醫藥研究的重要性不亞于克隆猴技術，是構建非人靈長類疾病模型的里程碑成果。
胚胎干細胞是生命發育早期的“種子”細胞，不僅可以實現體外無限復制，還能在改變培養條件的情況下被誘導分化成不同組織的細胞。其在模式動物構建、細胞治療、器官再生、類器官模型等方面發揮著重要作用。
之前，人們已經在小鼠和大鼠中成功構建嵌合體。但經典的人和猴的胚胎干細胞不易形成嵌合體，且靈長類的胚胎干細胞需要比小鼠更復雜的培養條件。如今，這只高比例胚胎干細胞嵌合體猴的誕生讓人們對相關問題有了更清晰的認識。
學術同行認為，該研究將為基礎研究和非人靈長類遺傳修飾模型的產生開辟新的途徑。使用嵌合體猴技術有望獲得沒有個體差異的批量的疾病猴。這意味著，對于單個基因突變造成的疾病，比如漸凍癥，人們可以利用疾病模型猴更好地采取干預、開展新藥研發。
精準測量史上最亮“宇宙煙花”
帶來伽馬暴余輝新認識
11月，基于高海拔宇宙線觀測站“拉索”的觀測數據，我國科研人員精確測量了人類目前觀測到的史上最亮伽馬暴GRB 221009A的高能輻射能譜。他們發現，高能伽馬光子并沒有像理論預言的那樣，輻射強度快速減弱，而是一直維持在較高水平。相關研究論文11月16日在線發表于《科學進展》。
大約20億年前，一顆恒星在燃燒完自身燃料后即將“熄滅”，其坍縮瞬間爆炸形成了巨大的火球。耀眼的“火光”持續了數百秒，仿佛一個巨大的宇宙煙花。位于四川省稻城縣海子山上的“拉索”，目睹了這場絢爛的“宇宙煙花”——GRB 221009A。
科學家推斷，如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬年一次。人類極其幸運，因為GRB 221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測范圍內。2022年10月9日，“拉索”記錄到GRB 221009A產生的伽馬光子，其最高能量在10萬億電子伏特以上。
理論上，高能伽馬輻射的光子能量越高，其輻射強度就衰減得越快。但“拉索”對GRB 221009A輻射能譜的精確測量卻顯示，伽馬暴輻射并沒有快速衰減，而是一直延伸到13萬億電子伏特。這一發現挑戰了傳統的伽馬暴余輝標準模型，也揭示了宇宙背景光在紅外波段的強度低于預期，開啟了新物理探索之門。
對于宇宙背景光對高能伽馬光子的吸收低于理論預期這一現象，研究人員給出了兩種可能的解釋：可能存在某種超出當前粒子物理標準模型的新物理機制，或者可能存在標準模型之外的一種新粒子軸子。不論如何，“拉索”對這場史上最亮“宇宙煙花”的觀測，將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。
（原標題：這一年，我們向科學高峰進發）
本文鏈接：2023年，我們向科學高峰進發http://www.sq15.cn/show-11-1796-0.html
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