开拓学科领域、抢占战略制高点的颠覆性技术 | 评论赠书

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• 2035年的中国——发展愿景与展望 | 评论赠书
  

本文节选自《工程科技颠覆性技术发展展望2019》蓝皮书（工程科技颠覆性技术战略研究项目组/著），本书京东、当当有售。

量子保密通信的安全性由基本物理原理保证，因而可以实现绝对安全的信息传递。量子密钥分发是量子密码体系的核心，是目前量子通信研究最成熟也最接近实用化的一个研究方向。近年来世界各国开展了面向实用化的示范性局域网、广域网的构建研究，取得了许多重大进展。尽管目前还没有可用的量子中继方案，但利用现阶段的量子通信技术已经可以实现城域网量子保密通信（如合肥、芜湖等地构建的政务网）。量子密钥可以通过单光子的量子态来传输（量子纠缠并非不可或缺），单光子源的品质对量子通信的传输有重要影响。到目前为止，提取效率 66%、单光子性优于 99%的单光子源也已实现，这已经能够满足城域网范围内的量子通信要求。我国在实用化的量子密钥分配方面处于国际先进水平。

实现大规模的量子计算是量子信息技术最重要的目标，同时也是巨大的技术挑战。在理论上实现量子计算已没有原则性的障碍，人们甚至已经开始设计大规模量子计算的芯片构型。目前，量子计算机的实现存在两条不同的路径。一条是大部分物理系统（离子阱、部分超导系统、量子点、金刚石色心系统等）都是在先保障量子性的基础上逐渐扩大系统，进而实现普适的量子计算。如何在保障纠缠的基础上实现可扩展是当前遇到的主要问题。另一条是以加拿大 D-Wave 公司为代表的超导系统，现在该公司已经能够控制 512 个量子比特（甚至更多），并能利用它实现绝热算法。虽然这个系统的量子性以及它是否能超越经典的计算机还存在巨大的争议，但其无疑提高了人们对实现可扩展量子计算的信心。

量子技术的发展使得人们可以对很多物理量的测量获得比经典方法更高的精度。在理论上，人们已经提出了一系列提高量子测量精度的新方法。一般来说，物理系统总是受到噪声的影响，因而，我们对物理量的测量精度总是受到噪声的限制。量子技术表明，我们可以利用 NOON 态来压缩噪声的影响，进而达到海森伯极限。另外，量子态本身是很脆弱的，它极易受到环境的影响。基于量子态对环境的敏感性，可以利用量子系统来对某些变化进行探测，这种应用就是量子传感。利用金刚石色心已经实现了对微小磁场的测量，并达到了极高的精度。量子传感和精密测量已经处于应用的前夜。

国际 IT（Internet technology，互联网技术）巨头长期盘踞，中国初创企业很难进入。

在人工智能领域，传统的芯片计算架构已无法支撑深度学习等大规模并行计算的需求，这就需要新的底层硬件来更好地储备数据、加速计算过程。基础层主要以硬件为核心，其中包括 GPU（graphics processing unit，图形处理器）、FPGA（field programmable gate array，现场可编程门阵列）等用于性能加速的硬件、神经网络芯片、传感器与中间件，这些是支撑人工智能应用的前提。这些硬件为整个人工智能的运算提供算力，目前多以国际 IT 巨头为主。在这一领域还有众多的初创公司，如中星微电子、寒武纪科技、西井科技等，但在产业布局能力和研发实力方面还不可与这些国际 IT 巨头匹敌。

算法和计算力成主要驱动力，开源化是趋势。

技术驱动层是人工智能发展的核心，对场景应用层的产品智能化程度起到决定性作用，在这一发展过程中，算法和计算力对人工智能的发展起到主要推动作用。技术层主要依托基础层的运算平台和数据资源进行海量识别训练与机器学习建模，以及开发面向不同领域的应用技术，包含感知智能和认知智能两个阶段。在此基础上，人工智能才能够掌握“看”与“听”的基础性信息输入与处理能力，才能向用户层面演变出更多的应用型产品。

人工智能与场景深度融合，应用领域更加广泛。

场景应用层主要是基于基础支撑层和技术驱动层实现与传统产业的融合，实现不同场景的应用。人工智能在语音、语意、计算机视觉等领域实现的技术性突破，将加速应用到各个产业场景。按照对象不同，场景应用层可分为消费级终端应用以及行业场景应用两部分。消费级终端包括智能机器人、智能无人机以及智能硬件三个方向，行业场景应用主要是对接各类外部行业的人工智能应用场景。

移动互联网为信息技术及其产业发展“开疆扩土”，不断孕育颠覆传统的新业态、新市场、新规则和新观念，同时也悄然改变着信息技术体系中核心要素间的配置关系，培育了如云计算、大数据、物联网等新一代信息技术和相关产业，是我们身边正在发生、仍将产生颠覆性创新的重要领域。因此，可以说移动互联网是最有可能产生颠覆性技术的领域之一。

基因组与基因的编辑技术将开辟疾病防治新路径。基因组学技术的兴起、分子诊断和基因检测技术的提升为疾病精准诊治带来了新手段，也为精准医学发展提供了技术支撑。基因编辑技术的发展，将使得对人类基因组进行插入、敲除等修饰易如反掌。人们在遵守伦理道德的前提下，可根据需要纠正有害的基因突变，这将为罕见遗传病、肿瘤等疾病的基因治疗提供新的手段。

基因编辑技术的飞速发展为基因功能研究工作提供了更多有力的工具，为生物学研究及医学治疗领域带来革命性的变化。基因编辑是生命科学与医药跨学科及转化研究的重要平台。基因编辑技术在构建基因敲除动物模型、遗传性疾病研究、抗病毒研究、癌症研究、功能基因筛选、转录调控研究、单分子标记研究和基因治疗研究等领域中有着广泛应用。基因编辑技术刚刚开启人体试验，展现出转化前景，是跨学科与转化研究的重要对象；为精准医学、转化医学提供了重要基础和手段。

（1）临床安全问题

目前已经有案例将人类基因编辑技术成功应用于临床，让人们看到了该项技术的应用前景，但是技术本身的不确定性、效率和安全性的问题以及伦理方面的问题仍然制约着基因编辑技术的发展。应用人类基因编辑技术永久性地改变人的遗传物质中的基因序列，对后代将产生多大的影响，这是所有人都很担心的一个问题。因此，基因编辑若要用于人类疾病治疗，就必须确保其临床安全性。

（2）伦理监管问题

近年来，基因编辑技术的发展、现状、未来的潜在应用和风险，基础科学研究对其发展的作用，该技术涉及的伦理、法律和社会影响以及国际和国家管理规则与原则等问题在国际范围内受到了更为广泛的关注。2015 年 12 月 3 日，首届人类基因编辑国际峰会在美国首都华盛顿闭幕，会议讨论的最大焦点是国际科技界是否可以发展有医学用途的人类胚胎基因编辑技术，是否应采取措施禁止发展该项技术。与会的多数学者和专家认为，鉴于该技术将带给人类治疗诸多遗传疾病的巨大潜力，理应在规范的前提下谨慎发展和完善及开展相关基础研究工作。

2000 年以来，在 Andy、Keasling 和 Collins 等的推动下，合成生物学在生物元件标准化及生物模块的设计和构建方面取得了很大进展，标准化生物元器件库建立，控制转录、翻译、蛋白调控、信号识别等各个生命活动的遗传电路也相继开发，并有望在实际应用中发挥重要作用。另外，JCVI 于 1995 年开始的最小基因组及合成基因组学研究也于 2010年取得了突破性进展。

合成生物学发展迅猛。DNA 操作方面，建立了基于内切酶的拼接、位点特异性重组、基于重叠序列的拼接以及体内 DNA 拼接的方法对 DNA 进行组装；从头合成 DNA 技术；开发基因组编辑工具，包括 CRISPR/Cas9 基因编辑系统以及高通量基因组工程等。目前，合成生物学在化学品、医药、能源、环境、农业等领域的大规模应用，对日常生活和社会的各个方面产生了巨大影响。

合成生物学给人类社会在医药、农业、能源等领域带来重要影响，在生物技术领域具有巨大的应用潜力，引起世界各个国家和地区的广泛关注。欧盟、美国先后制定了合成生物学发展战略及规划，投入大量资金支持合成生物学的相关研究，并相继成立合成生物学研究机构。

至 2017 年 5 月，欧盟资助的合成生物学研究项目共 282 项，经费累计达 5.6 亿欧元，美国 Federal Repoter 平台公布的政府对合成生物学的研究经费支持约 4.5 亿美元，虽然私营部门也积极参与合成生物学的研发，但这一领域主要还是政府投入，并且研究经费逐年增加。

合成生物学涉及产业界多个方面、多种应用领域，美国国防部在 2013～2017 年科技发展“五年计划”中将合成生物学列入未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一，认为合成生物学在军用药物快速合成、生物病毒战、基因改良、人体损伤快速修复等方面具有颠覆性应用前景。美国和英国政府对合成生物学研究的资助力度较大。

合成生物学在医药领域已有应用，包括开发人工减毒或者无毒活疫苗、合成噬菌体设计进行噬菌体治疗、工程化微生物量产小分子化合物、开发新型药物传递系统等。美国伍德罗·威尔逊国际学者中心（Woodrow Wilson International Center for Scholars）科技创新计划中的合成生物学项目列表中处于研发阶段的药物多数处于临床前阶段，仅用于糖尿病、肾病治疗的 SER-150-DN 处于临床Ⅱ期。除了基于合成生物学的新药研发，通过合成生物学相关技术手段在医药化工领域中可实现大规模生物转化合成也是研究的热点之一。从世界范围内看，我国在合成生物学研究向医药领域转化应用方面还有待提高。

石墨烯高频晶体管研究目前尚处于原型器件研制与原理验证阶段，在实际应用之前依然面临巨大技术挑战。首先，满足晶体管应用需求的高品质单晶石墨烯的规模化制备技术仍然是世界性难题；其次，石墨烯的零带隙特征使基于石墨烯的逻辑电路通常开关比较低；最后，用石墨烯取代硅实现商业应用将需要整个集成电路产业链条上下游各环节均随之发生技术变革。因此，各界普遍预期基于石墨烯的新一代芯片技术仍需要 10 年甚至数十年的培育与孵化。

基于石墨烯的结构与物性特点，有望在以下两个领域引发颠覆性技术。

一是具有超高能量密度的石墨烯基锂金属电池[14]。近年来的研究发现，利用具有三维结构的石墨烯材料负载金属锂，可显著改善锂的充放电可逆性，抑制锂枝晶生长，从而获得长寿命、高安全的金属锂负极，进一步与高容量正极材料匹配后，可以研制出能量密度超过 500Wh·kg 的超高比能锂电池，有望彻底颠覆当前的锂离子电池技术。该技术目前尚处于原理验证与原型器件研制阶段，距离商业化应用还有相当一段路要走。二是兼具高能量密度和高功率密度的新一代石墨烯基超级电容器。石墨烯具有超高比表面积和开放暴露的表面，电化学稳定性好且导电性能优异，因此，与活性炭相比，石墨烯具有更高的比容量、更高的工作电压和更低的内阻，从而可以将超级电容器的能量密度和功率密度提高数倍，有望达到能量密度超过 80Wh·kg，功率密度超过 50kW/kg 的颠覆性技术水平，这将大大拓展超级电容器的应用领域，甚至能够满足电磁武器等对储能器件有极端严苛要求的应用需求。

超材料透镜在生物领域、微电子学和光学工程领域都有迫切的需求。超材料透镜可以对病毒和 DNA 分子、细胞等在自然环境中随活细胞管壁活动的快速过程进行直接观察。计算机芯片和微电子学器件的体积越来越小，对高分辨率的光学仪器特别是光刻设备的需求也日趋强烈，超材料透镜的实现为满足这种需求提供了条件[20]。普通透镜只捕获传播的光波，而超材料透镜可以捕获传播的光波和停留在物体表面顶层的光波，从而可以获得更完整的信息，使光学和光工程领域获得重大进展。

全光信息技术的原理已趋完善，但在实际应用中面临着一系列器件的实现问题，其中作为逻辑光路的核心部件的全光开关器件是光信息的核心技术和主要难点。全光开关是通过光来改变光的传播特性（如强度、传播方向、偏振状态等）的器件。开关阈值和响应速度一直是基于材料光学非线性的全光开关器件发展的两个主要瓶颈。我国首次提出了基于超材料的、无非线性过程参与的全光开关的设计思想[21]。基于利用介质基超材料中超构原子（meta-atom）在特定方向上可承载多个不同的多级震荡模态的特性，在不同方向施加调制电磁波的波场，使两束（多束）电磁波导致的电磁谐振模态相互耦合，改变介质meta-atom 中影响信号波传播的特征谐振模态，进而实现全光调制。