2024年最后一天，盘点今年全球科技都突破了啥？

摘要：物理学奖颁给了人工神经网络和机器学习领域。能预测蛋白质结构的AlphaFold则分享了化学奖。这表明，AI已经从一个辅助工具，成长为推动科学发现的重要力量。

祖冲之三号量子计算芯片

在过去的2024年，人类取得的这些科技新突破将会成为推动社会进步的引擎，改变我们的生活、工作和思考方式。

人工智能获得诺贝尔奖

2024年，诺贝尔最重要的物理学奖和化学奖都颁发给了人工智能领域。

物理学奖颁给了人工神经网络和机器学习领域。能预测蛋白质结构的AlphaFold则分享了化学奖。这表明，AI已经从一个辅助工具，成长为推动科学发现的重要力量。

脑机接口技术进入实用

2024年，脑机接口技术从实验室走向了实际应用，但还有异物感染和电极移位导致控制精度下降等实际问题需要解决。

Neuralink为一位瘫痪8年的患者植入了脑机接口芯片，患者直播了用意念控制鼠标、打字、打赛车游戏。Alex的脑机接口技术操作更为细腻，患者甚至能用意念操作3D建模软件。

植入了Neuralink脑机接口芯片的首位患者直播意念玩游戏

能纠错的量子计算机

去年底，谷歌的“垂柳”和国家实验室的“祖冲之三号”相继发布。两者量子比特数同为105个，各项性能指标旗鼓相当。这表明中美在超导量子计算研究方面处于同一水平。

量子比特即使在接近绝对零度的环境中仍然容易受噪声影响，导致计算结果不可信，亟需可靠的纠错技术。

谷歌将实用化量子计算机路线图分为六个阶段。在特定问题上体现量子计算优越性是第一步，第二步就是实现可大规模扩展的量子纠错技术，而终点（第六步）是到2029年，制造一百万个物理量子比特且可纠错的量子计算，此时量子计算机才能解决一些通用化问题。因此近年来量子计算的前沿研究转向了量子纠错技术的应用。2022年，“祖冲之二号”首次实现了码距为3的表面码量子纠错。之后中美量子计算机交替实现了码距为5和7的表面码结构，并证明错误率会随着码距的增加显著下降。

表面码码距为3（红框内）和5（全部彩色）的量子纠错结构，黄色为数据比特，蓝色为辅助比特

“垂柳”处理器具有目前最好的纠错能力，使用了表面码量子纠错方案。表面码量子纠错通过在二维方格上同时纠缠编码17、49甚至更多个量子比特，让区域内的量子比特协同识别和补偿错误，从而达到更高的保真度。

如图所示，红色框内就是码距3的纠错码结构，共使用了17个比特，其中9个黄色的数据比特，蓝色为辅助比特，按3一个行间隔排列。同理，图中所有带颜色的49个比特组成的就是码距为5的纠错码结构，纵横均为5个比特，数据比特和辅助比特间隔排列。

存在第三种磁性

此前，我们只知道铁磁性和反铁磁性两种基本磁相，现在发现了第三种——交变磁性（altermagnetism）。

磁铁就是铁磁性材料，它的磁场由排列成同一方向的磁体电子的自旋引起。而反铁磁材料中的电子的自旋上下交替，不会产生外部磁场。

在碲化锰中观测到的交变磁性漩涡，图片边长为1微米

此外，某些反铁磁性材料如碲化锰（MnTe）也会表现出铁磁体的特征即具有交变磁性。在微观角度上，碲化锰的磁性的基本单元是彼此反向平行的微小磁矩，但承载这些微小磁矩的晶体结构又会相对于相邻的晶体结构发生旋转，这让碲化锰具有了交变磁性。

交变磁性兼具铁磁性和反铁磁性的优势，为制造自旋电子器件带来了新突破口，有望将微电子元件和数字储存器的速度提升数个数量级。

嫦娥六号月背采样

嫦娥六号探测器首次从月球背面采集了1.9千克岩石样品并成功返回地球。探测器选在月球背面的南极-艾特肯盆地的阿波罗盆地南部着陆。月球背面的南极-艾特肯盆地是月球上最大、最古老的撞击盆地之一，形成于40亿年前。科学家希望在此找到月球形成和太阳系早期的关键线索。

星舰的“筷子”夹火箭

SpaceX的星舰在2024年10月的第五次试飞中首次成功用发射塔上名为“筷子”的机械臂夹住了返回的一级火箭，此时71米长的火箭重量为250吨。当火箭一级发动机落回地面附近时，其速度超过声速，使用“筷子”夹住火箭可以大幅减少用于反冲减速的燃料。

星舰目标是将发射成本降低90%，实现全部回收复用。这将从根本上改变人类探索太空的方式。

韦布空间望远镜探测宇宙起源

詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）是有史以来最大、最强的太空望远镜，专门设计用来捕捉宇宙最早期发出的微弱红外线。通过三年来的持续观测，科学家对宇宙黎明时期有了新的认识。所谓“宇宙黎明”，指的是宇宙诞生后的头10亿年，那时第一批恒星和星系开始形成，宇宙从一片黑暗逐渐被点亮。

韦布望远镜的观测发现了数量惊人的明亮星系，比理论预期多出近1000倍。通过对这些古老星系发出的光进行分析，科学家提出了两种解释：要么早期宇宙中存在着比太阳大几十甚至上百倍的巨大恒星，要么有大量活跃的黑洞在吞噬周围物质，释放出强烈的能量。

这些早期星系中含有碳和氧等重元素。这意味着在它们之前，一定还存在更早的巨大恒星，这些恒星在死亡时发生超新星爆炸，将重元素散布到宇宙中。这些发现为我们理解宇宙如何从一片混沌逐渐演化成今天的样子提供了重要线索。

半金属材料中观测到半狄拉克费米子

2008年，科学家在理论上预测了一种质量与运动方向有关的特殊准粒子并给出了描述方程，这是一种在一个方向上运动时具有质量，而在另一个方向上运动时没有质量的费米子，并以数学家保罗·狄拉克命名为“半狄拉克费米子”。

半狄拉克费米子

2024年，科学家在半金属材料ZrSiS晶体中首次观测到了一组准粒子，表现出半狄拉克费米子的特征。通过磁光光谱技术，研究人员在强磁场和极低温条件下使用红外光研究了ZrSiS晶体内部的量子行为，发现了一些异常现象：朗道能级跃迁的能量遵循完全不同于此前依赖磁场强度的模式。这些准粒子就像在轨道网络上运动一样，在某些轨道无质量，以光速运动，而在交叉点切换轨道时，表现出质量。而交叉点处的行为正是半狄拉克费米子的典型特征。

ZrSiS是一种与石墨烯有些相似的层状材料，如果未来可以实现像石墨烯一样的单层剥离技术，或许能更好地观察和理解半狄拉克费米子的特性，并推动电池、传感器等一系列技术的发展。

一针艾滋病预防针半年不会感染

如今，每年世界上仍有130万人会感染艾滋病，打上一针吉利德科学（Gilead Sciences）的长效人类免疫缺陷病毒（HIV）预防针“来那卡帕韦（lenacapavir）”，能100%在6个月内不感染艾滋病。

与传统抗HIV药物不同，它的靶向目标是病毒衣壳蛋白，能阻止病毒与细胞的相互作用，还能阻止病毒进入细胞核。这将开启用衣壳蛋白抑制剂来对抗病毒的新路线。

人类细胞图谱第一份草图

2024年11月，人类细胞图谱项目完成了第一份草图，这份“人体细胞地图”涵盖了人体神经系统、肺、心脏、肠道和免疫系统等18个最重要的器官，包含约6200万个人类细胞的详细信息。

该项目将绘制人体内约37万亿个细胞的完整图谱。科学家不仅要识别不同类型的细胞，还要了解它们的功能状态、所处位置，以及发育历程。这就像是在绘制一张极其精细的“人体地图”，意义堪比人类基因组计划。