颠覆性技术的预测与展望:以量子信息、生物技术、人工智能、移动互联网为例

2018年08月21日 来源:光明日报 热度:
“颠覆性的(disruptive)”意味着有秩序的过程被打断、打乱,也有结构上的混乱、错乱和剧变的意思,这个词意味着不一致性、不连续性。颠覆性技术是指能够带来突发的或意料不到的效果的创新技术。

颠覆性技术的讨论是一个复杂的话题,难以在有限的篇幅中尽述。这里,我们分量子信息、生物技术、人工智能、移动互联网四个领域做以简单介绍,并提出建议。

量子信息

作者:黄龙光(中国科学院科技战略咨询研究院副研究员)

量子信息技术结合了量子力学理论和信息技术,将变革计算、编码、信息处理和传输过程等,成为下一代信息技术的先导和基础,是提升国家信息技术水平、增强国防实力的重要基础支撑。量子信息技术经过三十多年突飞猛进的发展,在理论和技术方面已经获得了举世瞩目的成就。我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,意味着量子通信产业化发展进入了新的阶段;量子计算的重要进展层出不穷,将推动量子计算机的技术实现;量子模拟技术已经接近经典计算机可以模拟的极限,量子度量学也获得了快速的发展。

目前有21个国家和地区对量子技术进行积极的投资。其中,欧盟的年度投入最高,为5.5亿欧元,其次是美国,年度投入3.6亿欧元,我国位居第三,年度投入2.2亿欧元。德国(1.2亿欧元)、英国(1.05亿欧元)、加拿大(1亿欧元)紧跟其后。2016年以来,欧美纷纷瞄准“第二次量子革命”,加大基础研究和产业发展方面的投入。

例如,美国国防部量子信息科学的资助重点放在国家安全应用,如精密导航、精确授时和安全量子网络;美国国家标准与技术研究院重点支持量子通信、量子计算和量子测量;美国国家科学基金会、情报高级研究计划局、能源部等也都将其列为重点发展方向或重点研究领域。再比如,欧盟委员会将于2018年启动总额10亿欧元的量子技术旗舰计划,希望这个计划将会让欧洲处于第二次量子革命的前沿,未来10年在科学、产业和社会方面带来变革性的进展。

我国是较早重视并大力支持量子科技研究的国家之一,长期以来,中国科学院、科技部、国家自然科学基金委持续支持量子技术研究,以力争成为新一轮量子科技革命的引领者。

科技部通过“973计划”对量子计算和量子通信进行了大力的资助。2006年,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》重点部署了四项重大科学研究计划,量子调控研究是其中之一,其研究重点包括量子计算的载体和调控原理及方法、量子计算等。中国科学院早在1999年就设立了“中国科学院量子信息重点实验室”,近年来又在量子计算领域进行了重要部署。

2012年,实施了战略性先导科技专项“量子系统的相干控制”,2014年成立了中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心,2016年成立了中国科学院量子信息与量子科技创新研究院。国家自然科学基金委2005年把量子信息的理论研究列入重大研究计划中,2006年起至今,量子信息物理一直是重点项目的支持方向之一,包括量子态、量子纠缠、量子计算、量子模拟等方面的研究。

近年来,量子信息技术的颠覆性态势已现,我国将其列入国家战略层面并加大支持力度。国家“十三五”规划纲要指出将启动量子通信与量子计算机“科技创新2030-重大项目”,《“十三五”国家基础研究专项规划》明确了该重大项目的组织实施,在量子通信方面将率先突破量子保密通信技术,建设超远距离光纤量子通信网,开展星地量子通信系统研究;在量子计算机方面将研发量子系统、量子芯片材料、结构与工艺、量子计算机整体构架以及操作和应用系统;在量子精密测量方面将研究利用量子通信和量子计算所发展的量子探测、测量和操纵技术。

此外,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》指出,在超前布局战略性产业中,将持续推动量子密钥技术应用,统筹布局量子芯片、量子编程、量子软件以及相关材料和装置制备关键技术研发,推动量子计算机的物理实现和量子仿真的应用。

最近,我国在量子通信领域取得了世界一流水平的重要进展,实现了世界上首次千公里级的量子纠缠和星地双向量子密钥分发,墨子号的成功也促进了世界各国对空间量子卫星的部署。未来的量子通信发展,欧盟聚焦量子互联网,美国将重点研发光量子通信网络。

量子计算的国际竞争愈发激烈,“量子霸权”争夺战进入白热化,谷歌、IBM、英特尔、微软、阿里巴巴、腾讯、百度等大型企业都在角逐量子计算机的研制。未来,欧盟将重点开发超过50个量子比特和具备量子纠错功能的量子处理器,美国将打造量子计算测试平台以促进硬件、架构、量子算法和模拟的开发。

生物科技

作者:邢颖(中国科学院科技战略咨询研究院副研究员)

生物科技在引领未来经济社会发展中的战略地位日益凸显,生物产业正加速成为继信息产业之后新的主导产业。近年来,世界各国纷纷强化生物科技战略布局。例如,美国启动了《2015年工程生物学研究与发展法案》立法议程,2016年还发布了医疗创新政策法案,将提供63亿美元经费用于开发疾病疗法。

欧盟委员会和企业伙伴在2014年联合推出预算37亿欧元的“生物基产业公私合作伙伴计划(2014—2024年)”。英国生物技术和生物科学研究理事会2017年宣布投入3.19亿英镑支持未来五年的生物科技发展。我国也印发《“十三五”生物产业发展规划》、《“十三五”生物技术创新专项规划》及生物制造相关规划,提出加快生物产业创新发展步伐、培育生物经济新动力的重要任务。

生物技术领域关键性、前沿性、颠覆性技术不断引起各国高度关注,新一代基因组学、合成生物学、新型治疗方法等技术不断掀起研发热潮。

生物技术的颠覆性不仅体现在民用领域,也有重要的军事用途。据了解,美国已在生物材料、仿生设计、生物计算、生物燃料等领域取得突破,并试图利用这些“颠覆性技术”催生出新的作战样式和作战理念。美国国防部预研局曾制定过一份《2013-2017年科技发展计划》重点是生物技术在“战场医疗”等方面的应用。

我们分析认为,生物科技领域重点有三项重要颠覆性技术。

第一,基因编辑技术。基因编辑技术是一项突破性的生命科学技术,通过利用一种切割细胞中特定DNA序列的酶——核酸酶,实现对特定位点基因的精准插入、删除或替换。根据序列特异性核酸酶的不同,可分为ZFNs、TALEN及CRISPR/Cas9技术。基因编辑技术由于具有简便、高效及低成本等优点,在基础研究、基因治疗及遗传改良等方面展现出巨大的潜力。

美国和中国在基因编辑技术研发上处于世界领先地位。在基础研究领域,美国科学家首先发现基因编辑技术能够编辑人类基因,并在单碱基编辑、RNA编辑、基因编辑机制上陆续取得突破性成果,不断改进基因编辑的精准性、降低脱靶效应;美国还率先将基因编辑技术应用于哺乳动物细胞。

在医疗健康领域,我国科学家首次完成了对人类胚胎的基因编辑用于治疗地中海贫血,我国还是世界上第一个将CRISPR应用于人体临床试验的国家;而美国开展了首个人体内基因编辑手术。在农业遗传育种领域,该技术通过对水稻、小麦、大豆、玉米等重要主粮作物及蔬菜的基因组进行编辑,有效改善了产量、品质、抗病及抗逆性状,并且通常不会引入外源基因,引起广泛关注。

第二,合成生物学。合成生物学是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的、融入工程学思想的多学科交叉研究领域,在医药、能源、材料、环境等领域中具有广阔的应用前景。2002年,美国纽约州立大学在历史上首次利用人工从化学单体合成了病毒——脊髓灰质炎病毒。2008年、2010年,美国又首先合成了生殖道支原体基因组和噬菌体基因组,创造了首例“人造细胞”。

2014年,美国首次成功合成酵母的1条染色体,其在酵母细胞内呈现正常功能;继而2017年,Science报道了另外5条酵母染色体的合成,其中4条以中国学者为主完成。美国科学家还合成了具有最小细菌基因组的活体细胞Syn3.0。

此外,美国公司通过数据驱动、人工智能、高通量筛选和机器人自动化的串联模式促进菌株优化与化合物合成。英国建造了名为“Foundry”的设施用于DNA制备过程工业化。合成生物学正与人工智能、大数据技术、化学合成技术会聚,加速工程化进程。

第三,细胞免疫治疗。细胞免疫治疗(CAR-T)是通过基因工程手段修饰人的免疫效应细胞(T细胞),使其表达嵌合抗原受体(CAR),之后回输入患者体内,使免疫细胞能特异性地识别肿瘤相关抗原,以此增强T细胞对肿瘤的特异性杀伤的一种技术。

近年来,细胞免疫治疗已成为包括恶性血液肿瘤在内的多种肿瘤治疗的重要手段。细胞免疫治疗对白血病的有效率可达到94%,用于实体瘤治疗尚有待攻克。2017年,美国FDA批准了首个来自诺华制药的细胞免疫疗法用于治疗白血病,继而又批准了来自Kite制药的CAR-T治疗淋巴瘤。这标志着细胞免疫疗法已进入实用阶段。在CART-T疗法的开发上,美国遥遥领先,中国紧随其后。

统计显示,正在开展的CAR-T临床试验共87项,美国54项,中国有23项。我国在国际实体瘤CAR-T细胞治疗领域呈领先地位,已完成针对肝癌的CAR-T一期临床试验。

人工智能

作者:唐川(中国科学院成都文献情报中心副研究员)

人工智能研发与应用的重点领域主要集中在:机器学习/深度学习,计算机视觉/图像识别,自然语言处理/语音识别,神经形态计算/脑启发计算,脑科学与人工智能,智能机器人/虚拟个人助理,自动驾驶/无人系统。

各领域发展总体呈现以下趋势:

产业发展迅猛。人工智能产业应用速度不断加快、领域不断拓展、技术不断更新,人工智能应用已经成为诸多行业的发展方向和转型升级的重要抓手,新应用层出不穷,引发人工智能产业的空前繁荣。

专用技术不断突破。由于面向特定领域的人工智能技术(即专用人工智能)应用场景需求明确、领域知识积累深厚、建模计算相对简单可行,在多类单项测试中超越人类。

通用技术仍需努力。目前人工智能距离通用的智能系统还有很大差距,还处于有智能没智慧、有智商没情商的阶段,对情景的准确判断能力和精细操作能力仅属于初级水平,也很难准确把握人类的情感、意识、需求等。

应用领域不断拓展。越来越多的不同领域与行业开始重点采用人工智能技术。在生命健康领域,人工智能技术可帮助医生诊断乳腺癌,速度是人工的30倍,准确度为99%。在网络安全领域,人工智能系统可准确预测85%的网络攻击,高于人类分析师水平。

社会影响快速扩散。公众对人工智能带来的社会影响越来越感兴趣,尤其是可能给人类带来的威胁和利益冲突,每当出现特定的技术突破、事件或知名人士发表相关言论,都能引发公众对人工智能的热烈关注与讨论。

近年来,各国政府纷纷加快在人工智能领域的战略布局,将其作为提升国家竞争力的重要抓手,启动了各类研发或技术转移计划,力图占领技术、产业和应用的新的制高点,美国、英国、法国与日本等国都加大了资金投入和政策倾斜力度。

例如,美国对人工智能发展进行了全面、深入的战略研究和系统布局,包括:成立专门机构,协调相关领域研发力量;组织社会力量,进行关键问题和重要政策研究;从科学研究、技术开发、产业应用、教育培训等方面。

欧盟于2009年和2013年发起了引领人工智能前沿技术发展的“蓝脑计划”和“人类大脑工程”。2018年,欧盟24国签署协议,至2020年将投资15亿欧元,并带动公共和私人资本参与,预计总投资将达到200亿欧元。

我国人工智能技术虽然起步较晚,但在政府与社会各界的支持与投入下,取得了迅猛的发展。

在基础研究方面,我国已拥有设施齐全的研发机构与团队,2017年2月起,国家发改委先后批复设立深度学习技术及应用国家工程实验室、类脑智能技术及应用国家工程实验室等研究单元。我国科研机构和企业在语音识别、图像识别、机器翻译、中文信息处理等方面已处于世界领先地位。智能芯片技术也实现了突破,中科院计算所团队研制出的寒武纪神经网络处理器已成为国际竞争对手的追赶目标。

与此同时,我国人工智能相关产业蓬勃发展、创新创业日益活跃。据国内外多家市场研究机构分析,2017年我国人工智能市场规模在135亿~260亿元人民币之间,年增长率在41%-75%之间。2015年和2016年分别新成立了150家和128家人工智能公司,其中已涌现若干独角兽企业。

此外,人工智能受到政府的高度重视。自2016年起,我国快速将人工智能发展上升至国家战略层面,相关政策密集出台。2016年4月,工信部、发改委、财政部联合出台了《机器人产业发展规划(2016-2020年)》,聚焦智能工业型机器人和服务型机器人的发展。2016年5月,发改委、科技部、网信办等联合印发的《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》提出到2018年基本建成人工智能产业体系、创新服务体系和标准化体系。

同月,科技部宣布将“人工智能2.0”列为《“十三五”国家科技创新规划》中“科技创新2030”重大项目之一。2017年7月,国务院发布《新一代人工智能发展规划》,从战略态势、总体要求、资源配置、立法、组织等各个层面确立了我国人工智能发展规划。此后,各政府部门与地方政府纷纷出台政策与战略规划,落实《新一代人工智能发展规划》的总体部署,相关技术研发与产业应用都得到了极大促进。

移动互联网

作者:田倩飞(中国科学院成都文献情报中心助理研究员)

移动互联网是互联网与移动通信在各自独立发展的基础上相互融合的新兴领域,主要由移动终端、移动通信网络和公众互联网服务等三要素构成,涉及无线蜂窝通信、无线局域网以及互联网、物联网、云计算等诸多领域,能广泛应用于个人即时通讯、家庭互联、现代物流、智慧城市等多个场景。

移动互联网的演进历程是移动通信和互联网等技术汇聚、融合的过程,其中,不断演进更迭的移动通信技术是其持续且快速发展的主要推手。每一代移动通信技术的演进似乎都是渐进式创新的产物,但当这种渐进式创新融入上世纪最具变革性影响的互联网发展时,就会产生打破原有体系、取代已有技术、改变游戏规则、重塑竞争格局等一系列颠覆性影响。

目前,第五代移动通信(5G)已成为当前和未来全球业界的焦点,将引领移动互联网进入新时代。美国高通公司指出,5G技术将成为和电力、互联网等发明一样的通用技术,催化未来的转型变革,重新定义工作流程并重塑经济竞争优势规则。到2035年,5G将在全球创造12.3万亿美元的经济产出,同时创造2200万个工作岗位。针对新兴5G技术,许多国家和地区都部署了详细的5G发展规划,全球领先企业和电信运营商也都在积极推进5G研发与测试。

近年来,国家和产业机构对网络基础设施建设的大力投入、移动终端的普及以及整个移动互联网生态的不断完善,给我国移动互联网的快速发展带来了前所未有的条件,帮助我国快速成为世界一流的移动互联网之国。截至2017年12月,我国手机网民规模达7.53亿,手机网民占比达97.5%。以手机为中心的智能设备,成为“万物互联”的基础,车联网、智能家电促进“住行”体验升级,构筑个性化、智能化应用场景。移动互联网服务场景不断丰富、移动终端规模加速提升、移动数据量持续扩大,为移动互联网产业创造更多价值挖掘空间。

移动互联网还在变革我国社会管理与社会生产,引领智能社会发展。移动互联网让我国政府机构、组织的管理和服务更精细、科学,直接推动着我国阳光型、服务型、法治型政府建设。我国移动政务的业务处理能力在不断拓展,居民通过手持终端就可便捷地办理多种公共业务,北京、广东、重庆等省市已经可以实现水电缴费、医疗挂号、交通出行、法院立案、港澳通行证续签等服务功能。

未来,我国移动互联网在社会生产领域的应用还将得到极大提升和发展。在移动互联网产生的海量大数据的支持下,农业、工业和第三产业都将得到不断优化,包括生产流程、管理程序、产品运营、营销模式都会发生变革或转型,针对消费者的个性化需求与体验,产品与服务也将更加垂直化、精细化。

编辑丨众视媒体 王超奇

责任编辑:王超奇

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