不论是放眼世界还是注目国内，2015年都是前沿理论和技术研究成果卓著的一年。且不说中国本土科学家立足本土科研首获诺贝尔奖，单是2015年国际物理学的十大突破成果中，中国科学家就占据两项。此外，得益于全球科学家的努力与国际间的合作，互联网、脑科学、新材料等前沿技术领域在2015年取得了巨大成就，而这些都与生活息息相关，未来也将改变我们的生活。

中科大首次成功实现“单光子多自由度量子隐形传态”

2月26日，《自然》杂志封面发表了中国科技大学教授潘建伟、陆朝阳等人的《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》论文，引起了国际物理学界的震动。潘建伟、陆朝阳团队研发出的“非摧毁性的测量技术”，首次实现单光子多自由度量子隐形传态——同时传送了单光子的自旋和轨道角动量两项信息。量子隐形传态是构建量子通信和量子计算系统最关键、最基础的“砖石”，而这项最新成果则将相关技术提升到了一个新的水平。

《自然》同期配发评论称：“该实验为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元。”

美国激光干涉引力波观测站重启

9月，美国在路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德重建激光干涉引力波观测站（LIGO），并重新启动了对引力波的观测与追踪。如果来自遥远宇宙的天体物理过程产生了的引力波抵达地球，他们将“聆听”到引力波“袭击”地球的信号。

改进并重建的两大激光干涉引力波观测站利用长达4千米的通道引导激光束，如果引力波信号传递到地球，就会对两束激光产生干扰，干涉仪会借此效应探测到引力波。升级后设备的峰值灵敏度大约为100赫兹，是之前设备的10倍。激光干涉引力波目前正在寻找相当于千分之一质子直径级的干涉变化，，因此引力波探测器也被称为监听宇宙之声。

目前先进激光干涉引力波观测站正在观测黑洞合并、中子星、超新星爆发等产生的引力波，如果运气好的话，将能探测到引力波信号。

美国科学家完成目前最复杂人脑直连实验

9月，美国华盛顿大学研究人员使用一种脑-脑直连方式，让5对受试者通过互联网传递大脑信号来玩问答游戏。这一实验首次证明两个大脑可以直接连接，且无须发声，一方就能准确猜出另一方的想法。

这是目前人类进行过的最复杂的脑-脑实验：答辩人戴上一顶记录脑电活动的脑电图机（EEG），当看到电脑屏幕上显示出一个物体，比如一只狗，另一个询问者也看到了一组可能的物体和相关的问题。点击鼠标，询问者发送一个问题，答辩人则通过凝视连接在监视器上不同频率闪光的LED灯来回答“是”或“否”。两种答案都会通过互联网发送信号到询问者，激活其头部后方放置的磁线圈。但只有“是”的答案能够生成足够刺激询问者视觉皮层的信号，并让其看到一道波状或细线状的闪光，这种现象被称为“幻视”。通过这种反馈，询问者能确认并指出正确的物体。

新技术让石墨烯制备成本降低100倍

11月，英国格拉斯哥大学的研究人员发表的论文表示，他们利用成熟的商用铜箔，将制备大面积石墨烯的成本成功降低了100倍。

石墨烯的制备通常要经过化学气相沉积（CVD）过程，在特殊表面膜的衬底上生成气体反应物。而由该大学工程学院莱文达·达西亚博士领导的研究团队，利用锂离子电池负极上常用的商业化铜箔生成高质量石墨烯，超光滑的铜箔表面为石墨烯的生成提供了优秀的反应床。结果显示，用新方法生成的石墨烯在导电性和光学性能方面有明显改善。这种商用铜箔的成本大约是每平方米1美元，而目前广泛使用的制备方法中，铜箔的价格为每平方米115美元，且还需提前对它进行额外加工，又增加了一部分成本。但是尽管如此，用这种方法制备石墨烯的成本也已经大大降低。

世界最大仿星器开始运行

12月10日，德国马克斯·普朗克研究所下属的等离子体物理研究所用于研究核聚变反应的世界最大仿星器——“螺旋石7-X”于当天开始运行，并首次制造出氦等离子体。

仿星器实际上是一种核聚变反应研究设备，按照设计通过模仿恒星内部持续不断的核聚变反应，将等离子态的氢同位素氚和氘约束起来，并加热至1亿摄氏度的高温，发生核聚变以获得持续不断的能量。

“螺旋石7-X”由马克斯·普朗克等离子体物理研究所承建，历经9年建造完成。与目前常用的以环形封闭磁场约束等离子体、实现受控核聚变的“托卡马克”方式相比，“螺旋石7-X”不但安全性更高，其最大特点是一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟，而“托克马克”方式的这一约束时间最高纪录仅为6分30秒。

实现对超高温等离子体的长时间约束是反应堆设计领域的“圣杯”，这意味着控制核聚变的进程，也就是说可以控制核聚变的开始和停止，并随时对反应速度进行调控，所以“螺旋石7-X”仿星器设计方案被认为是未来核电站反应堆的发展方向。

用光处理信息的光电子芯片问世

《自然》期刊12月24日发表的文章称，美国科学家研发出世界上首个用光处理信息的光电子芯片。它依旧使用电子来计算，但是可以直接使用光来处理信息。这一成果或将打开超高速、低能耗数据处理的大门。

这一芯片由加州大学伯克利分校及麻省理工学院、科罗拉多大学的科研人员合作研发。芯片宽3毫米，长6毫米，每平方毫米的数据处理速度可以达到300吉比特每秒（Gbps），比普通电子微处理器快10到50倍。这种芯片处理数据的能耗也非常低，处理每比特数据只需消耗1.3皮焦耳能量。

在研究过程中，研究人员尝试了多种在芯片上利用光子器件的创新性方法。他们使用光电探测器和垂直光栅耦合器等光子器件来控制和引导芯片上的光波，为了让光波在芯片上传输时的损耗降到最低，他们使用硅晶体管作为光波的波导管。此外他们还在波导管旁边设计了一种硅环来快速并低能耗地控制光波。最终，研究人员将两个拥有7000万个晶体管和850个光子器件的处理器内核固定在这种微型芯片上。

中国发射暗物质粒子探测卫星“悟空”

12月17日，中国在酒泉卫星发射中心用“长征二号”丁运载火箭成功将中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道，目前已经获得首批探测数据。这标志着中国空间科学探测研究迈出重要一步。

“悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星，超过国际上所有同类探测器。它将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务，探寻暗物质存在的证据，研究暗物质特性与空间分布规律。据介绍，“悟空”由四个有效载荷组成，分别是塑闪列阵探测器、硅列阵探测器、BGO能量器和中子探测器。所有探测器及电子设备安装在1立方米的空间内，技术难度超过了中国目前所有的上天高能探测设备。

占宇宙95%以上的暗物质和暗能量由万有引力定律证实存在，却从未被直接观测到。包括中国在内的世界各国正在筹建或实施多个暗物质探测实验项目，其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。

中国科学家独立发现外尔费米子

7月，中国科学院物理研究所发布消息：他们发现了具有“手性”的电子态——外尔费米子。物理所表示，中国科学家的这一发现，从材料理论预言到实验观测都是独立完成。

基本粒子虽然小，但像地球一样是可以自转的，而且可以正转也可以反转。1929年，德国科学家外尔（H. Weyl）推测，无“质量”（线性色散）的电子，可以分为左旋和右旋两种不同“手性”，或者说，存在“外尔费米子”。但是86年来实验从未观测到，中国科学家的这一发现使得近百年前的一个预言被证实了。

中科院物理所的科学家2015年初找到了钽砷晶体（TaAs）等四种非磁性的外尔半金属材料，是取得进展的关键。物理所研究员翁红明说：“TaAs材料在1960年代就有研究文章，但没有人意识到上面有外尔费米子。我们这一发现的难度在于，从那么多材料中找到合适的，犹如大海捞针，必须对外尔费米子和材料物理性质都有相当认识才行。”

“猎鹰9号”成功实现火箭回收

12月21日，由埃隆·马斯克创立的太空探索公司（SpaceX）的“猎鹰9号”运载火箭在将11颗通信卫星送入预定轨道的同时，成功实现火箭第一级的软着陆和高精度回收。此前，SpaceX曾多次尝试让“猎鹰9号”火箭的第一级降落在海上平台，但均以失败告终。2015年6月“猎鹰9号”在执行国际空间站货运任务时发生爆炸。这次发射是爆炸事故以后SpaceX第一次发射火箭——它的成功也标志着SpaceX可回收火箭技术的巨大进步。

美国当地时间11月23日，亚马逊“掌门人”杰夫·贝索斯旗下的蓝色起源公司发射的“新谢泼德”探空火箭进入地球大气层内的亚轨道飞行后，首次成功实现软着陆并完成回收。

上述成功意味着未来火箭将能像飞机一样重复使用，将显著降低太空飞行的成本。以“猎鹰9号”火箭为例，发射一次需要5400万美元，其中燃料价值仅20万美元。实现一级火箭的重复使用，可使发射成本降低80%。