核科学致力于研究从宇宙诞生初期到天体演化过程中的极端物质形态,一直以来是物质科学的前沿。其在今日仍不断有创造性的发现,并有着不可替代的作用。简要回顾了2023年原子核物理科技发展的前沿与热点,具体围绕长程规划与大科学装置、放射性核束物理、高能核物理、中微子物理、天体核物理等方向,其中不乏国内引领的优秀工作。而这些方向的突破为未来核科学的发展奠定了基础,也为国家安全、技术发展、人体健康和社会经济繁荣做出前所未有的贡献。

盘点了2023年超材料学科在应用拓展、新材料研发、制造技术突破、可持续发展以及国际合作方面取得的突破性进展。在光学超材料领域,光学耗损控制、制备方法以及新功能拓展加快了光学超材料的发展;在热功能超材料领域,具有非互易热辐射特性的热学超材料研究有了新进展;力学超材料领域,从普适性的功能性表征到新结构、新机制、新功能、新方法的探索都有新突破;作为超材料家族的新成员,基于新物理概念的量子及时变超材料也有所进展,除此之外,超材料于常规材料的融合在基于二维材料的超表面和可重构超材料表面逐渐成为研究的热点。未来,超材料应在产业化应用落地、打破技术研究壁垒、抓住人工智能技术提供的新机遇以及挖掘新物理系统构建方面潜力和与常规材料融合发展等方面发力。

回顾了2023年天文学领域的重大成果与进展。詹姆斯·韦布空间望远镜产生诸多新发现,对星系形成、系外行星探索等方面提供了重要数据;“中国天眼”超高的灵敏度使它在短时间内得到足够精确的数据,率先探测到纳赫兹引力波存在的关键证据;欧几里得空间望远镜升空并发回了第一批图像,接过普朗克卫星的接力棒,继续对宇宙暗能量、暗物质进行探索;墨子巡天望远镜正式启用,为北半球光学时域巡天提供了新的支持;小行星撞击实验分析结果出炉,为未来的行星防御计划提供了实证基础;探月热潮再次席卷全球,印度成为第4个成功在月球表面着陆的国家;观测发现了更多的新系外行星,拓展了人类对宇宙的认识;火星全球图像的公开、木星冰卫星探测器的发射,为太阳系科学研究带来新的进展;黑洞高清照、全景照发布,为理解黑洞周围的复杂结构提供了新视角,宇宙年龄受到质疑,实际年龄可能加倍。

空间科学与深空探测为基础科学研究突破提供了第一手的观测数据,成就诸多有重要影响的新发现和新突破,不断开拓人类认识宇宙的新边界。主要依据国际顶刊空间科学研究亮点论文,结合中国空间科学任务情况,梳理了2023年全球空间科学重要进展,主要涉及宇宙起源和演化、月球和行星探测、系外行星发现与表征、日球层物理和载人航天等学科领域的热点,展望了2024年即将发射升空的空间科学任务。

2023年,行星物理学作为行星科学的一个主干分支学科,呈现出百花齐放、交相辉映的态势。中国的行星物理学还发展出一些新兴的领域,如太阳与行星磁场发电机过程、地球与行星空间环境长期变化、地球与行星多圈层耦合过程等,为中国未来深空探测的跃升发展奠定了坚实基础。选择20个行星物理研究领域,以中国行星物理学的进展和热点为主线,置之于世界和历史的时空横纵之中,展示了中国和世界行星物理学的发展态势。

从常规水资源治理和非常规水资源开发角度,回顾了2023年地表水中新污染物防控、地下水资源保护、饮用水安全保障、污水处理降碳增效、废水资源化利用、非常规水源开发及中国水资源保护与利用等方面的全球科技研究热点及亮点工作。分析表明:地表水新污染物防控体系建设聚焦于环境质量标准、污染治理技术的研究,借助现代水文地质学有望提升地下水资源保护水平,新膜技术有助于饮用水安全保障,增效降碳协同发展成为污水处理行业面临的新挑战,农村污水处理与资源化领域在技术的革新、管理的优化和污水的资源化等多个方面取得了实质性成效和研究成果,碳基纳米材料等在环境放射性核素分离领域得到广泛关注,结晶技术是高盐废水零排放的关键技术,新型膜蒸馏技术助推海水淡化技术与工程建设稳步发展,中国治水成就为世界贡献中国智慧、中国方案。

回顾了2022—2023年有关台风、海雾、季风、海气通量理论、海浪模拟、寒潮等海洋气象学研究进展和在此期间海洋气象观测技术的提升与发展。研究多关注于各类海洋与气象观测和模拟技术的提升,以及海洋气象灾害潜在致灾因子的形成和发展机理,例如近年来台风路径多变,快速发展的案例频发;季风、海雾、海浪、海气界面通量等的观测和发展机理研究、模式参数化改进是未来海洋气象学的重要研究方向,这些研究成果对海洋气象灾害的预测和预警提供一定的科学基础和应用价值。

2023年,采油采气工程围绕新区效益建产、老油气田挖潜增效、数字化智能化发展和绿色低碳转型等方面开展技术攻关并取得突出创新成果。分层注入领域,智能化水平不断提高、技术适应范围进一步拓展,大幅提升了分层注入的精细化水平;人工举升领域,新型高效举升技术指标再创新高、机采提效效果明显、数字化水平明显提升,节能降耗成效显著;采气工艺向绿色智能化采气、全生命周期精细采气、复合排水采气等方向发展,有效推动了天然气产量跨越式增长;储层改造技术取得重大进步,非常规水平井体积压裂2.0向精细化、个性化方向发展,压裂理论、装备工具材料、裂缝监测技术等取得创新突破,为油气高效勘探开发提供有力保障;井下作业领域在带压作业、连续油管作业、数字化智能化修井作业和复杂工况井下作业等方面技术进展明显,有效保障了油气水井健康生产。

2023年,生命科学多个领域的研究取得突破性进展。重点回顾其中一部分已经、正在和未来非常可能改变人类对生命科学研究的前沿热点:人工智能正越来越成为生命科学和医学应用的有力且重要工具;基于GLP-1激动剂的出现和空前的广泛应用;相分离、体外胚胎模型、神经科学、发育生物学等领域新的技术的进一步优化和应用;针对β-淀粉样蛋白的抗体疗法、干细胞及免疫疗法、mRNA疫苗、CRISPR基因编辑疗法等新的临床治疗手段的出现和初步临床应用。这些研究进展不但进一步拓展人类对生命本质奥秘的理解,也正在为阿尔兹海默症、肿瘤、病毒感染等一系列重大人类疾病的患者带来福音。

2023年小麦生物育种相关研究取得了重要进展:挖掘了调控小麦高产、抗病、抗旱、耐低温等性状相关的新基因,创制了具有高产、抗病、优质等性状的新种质,构建了大批量EMS突变体库,完善了利用引导编辑系统编辑小麦内源基因和诱导系诱导小麦单倍体的技术体系,丰富了小麦基因组测序数据的覆盖度和多态性。今后需要注重这些新基因、新种质、新技术和新测序数据在小麦育种中的应用,充分发挥它们的作用。尤其是尽可能将多个优良基因或性状进行聚合,培育兼具高产、多抗、优质等多个优良性状的小麦品种。同时,加强小麦抗蚜虫、耐高温和高光效等性状的研究,努力解决小麦生产中的实际问题。

第三代光电半导体具有可溶液低成本加工,透明轻薄,柔韧性好,可大面积成膜以及具有光电响应和离子传输能力等独特优势。聚焦此类半导体材料所制备的器件,回顾了有机光伏以及有机/无机杂化钙钛矿光伏的最新进展,探讨了其在柔性自供电、建筑光伏一体化等应用场景下的显著优势,讨论了第三代发光器件在材料选择和结构设计等方面的发展及其在照明和显示领域的应用前景;盘点了第三代半导体材料在人工光电突触方面的最新进展,主要聚焦于新机理、新器件结构、新功能,同时介绍了人工突触器件在感存算一体芯片、神经网络、智能仿生器件方面的最新应用。凝练了该领域所面临的重点科学问题,并展望了未来的科研及应用趋势。

2023年,镁基储氢材料及其固态储运氢技术研发与应用发展迅猛,热点频现,出现了诸多显著成果。在材料设计开发方面,通过多种改性手段有效改善了镁基储氢材料的热/动力学性能,实现了材料在近室温条件下吸氢,200℃以下放氢,循环寿命也在不断提升。在工程应用方面,全球首台吨级镁基固态储运氢车问世,多个示范应用项目与材料生产线开始落地建设。社会各界都在关注并积极推动镁基储氢材料与系统的研发,努力探索潜在的产业应用。根据镁基储氢材料的催化改性、纳米化改性、合金化改性、系统装置开发和示范应用五大方向,总结了2023年国内外镁基储氢材料的重要进展,探讨了镁基储氢材料在氢储运、氢储能和固体氧化物燃料电池发电等领域的应用场景,展望了镁基储氢材料在2024年所面临的机遇与挑战。

2023年,无人机技术方面实现了革新和突破,展现出了引人瞩目的技术创新进展和广泛的应用态势。从无人机管控政策、无人机技术革新、无人机关键技术、无人机集群验证、反无人机技术等多个角度全方位分析了2023年无人机的科技热点。随着视觉应急避障技术、智能自主飞行能力的提升,无人机性能和功能均得到了显著提升。随着无人机的不断普及和应用,无人机集群的关键技术、作战样式和平台建设也不断完善,行业定制化、自主智能化、跨域实战化依然是无人机未来发展的重要方向。

2023年,美国、欧洲、澳大利亚、日本、韩国、印度等国家或地区陆续发布网络空间安全国家政策和战略计划。与此同时,以APT攻击、勒索攻击、供应链攻击、新型网络攻击、移动端攻击为代表的高隐蔽性、高破坏性攻击活动频发,对全球网络空间带来严重安全威胁。零信任、机密计算、隐私计算、弹性安全技术蓬勃发展,量子密钥分发和抗量子密码技术持续取得技术创新和突破,生成式人工智能为网络安全开创了全新的发展空间,网络空间安全领域正面临前所未有的发展机遇和应用前景。

回顾了量子信息领域在2023年的重大进展,盘点了量子计算与量子模拟、量子通信与量子网络、量子精密测量和量子信息物理等量子信息研究领域的研究热点。量子信息的发展会带来物理上安全的通信、高效的信息处理和精密的测量等,对国家信息安全及人类生产生活方式产生重大影响。

2023年,生成式大模型技术发展迅速,取得了一系列突破性的进展。回顾了2023年备受关注的大模型关键技术,包括大模型的能力涌现、多模态大语言模型的发展,以及大模型对齐和知识增强技术。介绍了大模型技术在医疗、教育等领域的垂直应用,以及对AI智能体与元宇宙技术发展的促进作用。此外,从数据隐私、有偏价值观、版权争议及虚假新闻传播等方面讨论了生成式大模型技术面临的安全挑战和发展趋势。

在大数据和人工智能时代,全同态加密方法被公认为是解决数据安全与隐私泄露问题的理想技术,但目前存在计算效率差、密文膨胀等问题,严重影响了全同态加密技术的应用和推广。从针对全同态加密算法的硬件加速和围绕全同态加密算法的优化2个方面,回顾了2023年计算机体系结构与密码学相关研究进展:以专用集成电路技术路线为代表的硬件加速效果明显;从算法角度进行优化,进展显著。可以预测,未来几年内,同态加密将与人工智能技术相结合,在跨行业、行业总分机构数据协作和利用中发挥更多价值。

2023年,科技巨头入局带动了扩展现实(XR)产业开启空间计算的全新产业格局。总结了XR产业在硬件形态取得的突破性变革,例如产业重心逐步从硬件向交互方式、内容生态、场景体验转变:协处理芯片、空间计算、透视技术成为提升XR终端性能的风向标;下一代计算平台的交互标准被定义为手眼+语音的多模态交互形式;XR内容实现从3D制作、格式标准化到分享展示的跨平台连接;大空间、大模型的应用在内容侧带动线下产业复苏。新一代计算平台爆发的巨大潜力推动XR产业朝着软硬件系统集成和内容生态协同发展的方向演进,必将形成技术、产品、服务和应用共同繁荣的高质量产业发展格局。

从城市AI的内涵与特征、“城市研究+AI”“城市规划+AI”“城市建设与管理+AI”4个方面梳理了2023年城市AI研究热点;从优化城市AI的顶层设计、构建城市AI的智慧平台、加强城市AI的场景建设、促进城市AI的学科融合、防范城市AI的安全伦理风险等方面展望了未来城市AI发展方向。面向未来应积极响应国家发展新一代人工智能的号召,抢抓人工智能发展的重大战略机遇,构筑中国人工智能发展的先发优势。

2023年,勒索病毒仍然威胁着全球工业控制系统安全,地缘政治冲突加剧导致工控系统成为敌对双方网络攻击的重要战场,供应链攻击再度成为工控系统的软肋。工控系统安全行业关注度持续提升,各国围绕工控系统安全展开大规模演习;工控系统安全政策、标准相继出台,相关行业有规可循、有法可依;软硬件漏洞仍然是工控系统“硬伤”,而“离地攻击”则可绕开漏洞实施“低成本、大威胁”攻击;研究人员开发了新型攻击手段,深度横向移动攻击、PLC勒索病毒使得威胁直指工控系统控制层,模块化、功能强大的工控系统攻击工具Pipedream为攻击者指明攻击路径;工控系统安全防护技术持续迭代更新,安全厂商和研究机构相继推出安全监控平台、可信DCS、攻击取证工具、轻量级密码算法、零信任机制传感器,网络安全逐渐被考虑纳入工控系统设计环节,功能安全、信息安全一体化协同设计取得突破;在PLC运行时安全测试、协议实现正确性测试、协议逆向分析技术、攻击检测技术方面都有创新性研究成果;新兴技术如人工智能、数字孪生、大语言模型等为工控系统安全带来机遇;工控安全外溢到卫星系统,欧美等国开始为网络战的空天战场作准备。