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              顛覆性技術的預測與展望:以量子信息、生物技術、人工智慧等為例

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              樓主 2020-06-28 14:17:38
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              「顛覆性的(disruptive)」意味著有秩序的過程被打斷、打亂,也有結構上的混亂、錯亂和劇變的意思,這個詞意味著不一致性、不連續性。顛覆性技術是指能夠帶來突發的或意料不到的效果的創新技術。

                顛覆性技術具有兩面性,既可能產生正面結果,也可能帶來負面影響。它可能對已有的技術和市場帶來革命性影響,甚至改變世界力量平衡。通常,這類技術的出現沒有規律,更難以預測。

                顛覆性技術和新興技術既有共性,也有區別。一般來說,顛覆性技術可以是科學技術突破的結果,如電子的發現。而新興技術也有可能是顛覆性的,其剛剛出現時顛覆性可能沒有馬上顯現。但當它被創新性地應用時,其顛覆性就會得以充分體現,如臉譜等社交網站。鑒別新興技術會不會成為顛覆性技術,我們可能要問三個問題:第一,哪些技術有潛在的顛覆可能?第二,對於哪些區域、領域,它是顛覆性的?第三,實施時間表是怎樣的?

                同時,判斷一項技術是否具有顛覆性,可以考察它的傳播性。高傳播性的技術易複製,基礎建設投資少。低傳播性的技術需要大量基礎設施建設投資,如半導體技術、太陽能電池技術。這些邊界條件對有些具有商機的技術並不適用,如柔性太陽能電池、大規模殺傷性武器等,儘管傳播受限,但影響很大。

                回顧科學技術發展史,有兩種顛覆性技術經常看到:一種是漸進式取代已有的技術,如從馬車到汽車;還有一種是創造了新的市場或生產力,如電腦。

                以史為鑒,顛覆性技術可能具有以下屬性:第一,某個因素(成本,使用率,性能等)取得突破或出現新的應用;第二,對其他技術產生的影響;第三,涉及多個學科;第四,由有遠見的企業家主導,如蘋果的喬布斯。實際評估中,我們還要考慮技術是否達到了之前達不到的生產力水平;是否結合其他技術,在生產力、社會、經濟方面有所突破;是否改變了通常的產品和技術範式,帶來競爭性優勢等因素。

                大量事實表明,顛覆性技術可在政治、經濟、科技、軍事、文化等方面產生諸多影響,發展顛覆性技術對實現我國科技創新跨越式發展具有重要戰略意義。

                首先,研究和發展顛覆性技術將有助於我國擺脫原創性創新能力不足,關鍵核心技術受制於人的困境,提升科技創新質量,實現跨越式發展。其次,以新一輪科技革命和產業變革為契機,發展顛覆性技術將改變我國現有的產業規則,影響我國現有的產業格局,進而形成新的主導產業,為我國科技創新的跨越式發展提供新的物質基礎。同時,作為科技創新的后發追趕型國家,發展顛覆性技術將有助於縮小我國與發達國家之間的科技創新差距,進而為我國建設世界科技強國提供戰略新機遇。

                與發達國家相比,我國顛覆性技術發展主要存在四個問題和難點。

                一是我國顛覆性技術的系統觀不強,多集中於單一的技術角度,尚未形成系統、準確研判的理論和方法。

                二是我國顛覆性技術創新的容錯環境較差,在體制、機制、文化環境等方面均存在諸多問題。

                三是我國顛覆性技術的識別難度大,在新一輪科技革命與產業變革的大背景下,顛覆性技術可能源於重大的科學和技術突破,也可能是源於已有技術或多項技術的綜合交叉。

                四是我國顛覆性技術的研究環境亟待完善,尚未形成常態化研究機制,缺乏專門研究機構,基礎研究投入不足。

                顛覆性技術的討論是一個複雜的話題,難以在有限的篇幅中盡述。這裡,我們分量子信息、生物技術、人工智慧、移動互聯網四個領域做以簡單介紹,並提出建議。

                一、量子信息

                作者:黃龍光(中國科學院科技戰略諮詢研究院副研究員)

                量子信息技術結合了量子力學理論和信息技術,將變革計算、編碼、信息處理和傳輸過程等,成為下一代信息技術的先導和基礎,是提升國家信息技術水平、增強國防實力的重要基礎支撐。量子信息技術經過三十多年突飛猛進的發展,在理論和技術方面已經獲得了舉世矚目的成就。我國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」,意味著量子通信產業化發展進入了新的階段;量子計算的重要進展層出不窮,將推動量子計算機的技術實現;量子模擬技術已經接近經典計算機可以模擬的極限,量子度量學也獲得了快速的發展。

                目前有21個國家和地區對量子技術進行積極的投資。其中,歐盟的年度投入最高,為5.5億歐元,其次是美國,年度投入3.6億歐元,我國位居第三,年度投入2.2億歐元。德國(1.2億歐元)、英國(1.05億歐元)、加拿大(1億歐元)緊跟其後。2016年以來,歐美紛紛瞄準「第二次量子革命」,加大基礎研究和產業發展方面的投入。

                例如,美國國防部量子信息科學的資助重點放在國家安全應用,如精密導航、精確授時和安全量子網路;美國國家標準與技術研究院重點支持量子通信、量子計算和量子測量;美國國家科學基金會、情報高級研究計劃局、能源部等也都將其列為重點發展方向或重點研究領域。再比如,歐盟委員會將於2018年啟動總額10億歐元的量子技術旗艦計劃,希望這個計劃將會讓歐洲處於第二次量子革命的前沿,未來10年在科學、產業和社會方面帶來變革性的進展。

                我國是較早重視並大力支持量子科技研究的國家之一,長期以來,中國科學院、科技部、國家自然科學基金委持續支持量子技術研究,以力爭成為新一輪量子科技革命的引領者。

                科技部通過「973計劃」對量子計算和量子通信進行了大力的資助。2006年,《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》重點部署了四項重大科學研究計劃,量子調控研究是其中之一,其研究重點包括量子計算的載體和調控原理及方法、量子計算等。中國科學院早在1999年就設立了「中國科學院量子信息重點實驗室」,近年來又在量子計算領域進行了重要部署。

                2012年,實施了戰略性先導科技專項「量子系統的相干控制」,2014年成立了中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心,2016年成立了中國科學院量子信息與量子科技創新研究院。國家自然科學基金委2005年把量子信息的理論研究列入重大研究計劃中,2006年起至今,量子信息物理一直是重點項目的支持方向之一,包括量子態、量子糾纏、量子計算、量子模擬等方面的研究。

                近年來,量子信息技術的顛覆性態勢已現,我國將其列入國家戰略層面並加大支持力度。國家「十三五」規劃綱要指出將啟動量子通信與量子計算機「科技創新2030-重大項目」,《「十三五」國家基礎研究專項規劃》明確了該重大項目的組織實施,在量子通信方面將率先突破量子保密通信技術,建設超遠距離光纖量子通信網,開展星地量子通信系統研究;在量子計算機方面將研發量子系統、量子晶元材料、結構與工藝、量子計算機整體構架以及操作和應用系統;在量子精密測量方面將研究利用量子通信和量子計算所發展的量子探測、測量和操縱技術。

                此外,《「十三五」國家戰略性新興產業發展規劃》指出,在超前布局戰略性產業中,將持續推動量子密鑰技術應用,統籌布局量子晶元、量子編程、量子軟體以及相關材料和裝置製備關鍵技術研發,推動量子計算機的物理實現和量子模擬的應用。

                最近,我國在量子通信領域取得了世界一流水平的重要進展,實現了世界上首次千公里級的量子糾纏和星地雙向量子密鑰分發,墨子號的成功也促進了世界各國對空間量子衛星的部署。未來的量子通信發展,歐盟聚焦量子互聯網,美國將重點研發光量子通信網路。

                量子計算的國際競爭愈發激烈,「量子霸權」爭奪戰進入白熱化,谷歌、IBM、英特爾、微軟、阿里巴巴、騰訊、百度等大型企業都在角逐量子計算機的研製。未來,歐盟將重點開發超過50個量子比特和具備量子糾錯功能的量子處理器,美國將打造量子計算測試平台以促進硬體、架構、量子演算法和模擬的開發。

                二、生物科技

                作者:邢穎(中國科學院科技戰略諮詢研究院副研究員)

                生物科技在引領未來經濟社會發展中的戰略地位日益凸顯,生物產業正加速成為繼信息產業之後新的主導產業。近年來,世界各國紛紛強化生物科技戰略布局。例如,美國啟動了《2015年工程生物學研究與發展法案》立法議程,2016年還發布了醫療創新政策法案,將提供63億美元經費用於開發疾病療法。

                歐盟委員會和企業夥伴在2014年聯合推出預算37億歐元的「生物基產業公私合作夥伴計劃(2014—2024年)」。英國生物技術和生物科學研究理事會2017年宣布投入3.19億英鎊支持未來五年的生物科技發展。我國也印發《「十三五」生物產業發展規劃》、《「十三五」生物技術創新專項規劃》及生物製造相關規劃,提出加快生物產業創新發展步伐、培育生物經濟新動力的重要任務。

                生物技術領域關鍵性、前沿性、顛覆性技術不斷引起各國高度關注,新一代基因組學、合成生物學、新型治療方法等技術不斷掀起研發熱潮。

                生物技術的顛覆性不僅體現在民用領域,也有重要的軍事用途。據了解,美國已在生物材料、仿生設計、生物計算、生物燃料等領域取得突破,並試圖利用這些「顛覆性技術」催生出新的作戰樣式和作戰理念。美國國防部預研局曾制定過一份《2013-2017年科技發展計劃》重點是生物技術在「戰場醫療」等方面的應用。

                我們分析認為,生物科技領域重點有三項重要顛覆性技術。

                第一,基因編輯技術。基因編輯技術是一項突破性的生命科學技術,通過利用一種切割細胞中特定DNA序列的酶——核酸酶,實現對特定位點基因的精準插入、刪除或替換。根據序列特異性核酸酶的不同,可分為ZFNs、TALEN及CRISPR/Cas9技術。基因編輯技術由於具有簡便、高效及低成本等優點,在基礎研究、基因治療及遺傳改良等方面展現出巨大的潛力。

                美國和中國在基因編輯技術研發上處於世界領先地位。在基礎研究領域,美國科學家首先發現基因編輯技術能夠編輯人類基因,並在單鹼基編輯、RNA編輯、基因編輯機制上陸續取得突破性成果,不斷改進基因編輯的精準性、降低脫靶效應;美國還率先將基因編輯技術應用於哺乳動物細胞。

                在醫療健康領域,我國科學家首次完成了對人類胚胎的基因編輯用於治療地中海貧血,我國還是世界上第一個將CRISPR應用於人體臨床試驗的國家;而美國開展了首個人體內基因編輯手術。在農業遺傳育種領域,該技術通過對水稻、小麥、大豆、玉米等重要主糧作物及蔬菜的基因組進行編輯,有效改善了產量、品質、抗病及抗逆性狀,並且通常不會引入外源基因,引起廣泛關注。

                第二,合成生物學。合成生物學是在現代生物學和系統科學基礎上發展起來的、融入工程學思想的多學科交叉研究領域,在醫藥、能源、材料、環境等領域中具有廣闊的應用前景。2002年,美國紐約州立大學在歷史上首次利用人工從化學單體合成了病毒——脊髓灰質炎病毒。2008年、2010年,美國又首先合成了生殖道支原體基因組和噬菌體基因組,創造了首例「人造細胞」。

                2014年,美國首次成功合成酵母的1條染色體,其在酵母細胞內呈現正常功能;繼而2017年,Science報道了另外5條酵母染色體的合成,其中4條以中國學者為主完成。美國科學家還合成了具有最小細菌基因組的活體細胞Syn3.0。

                此外,美國公司通過數據驅動、人工智慧、高通量篩選和機器人自動化的串聯模式促進菌株優化與化合物合成。英國建造了名為「Foundry」的設施用於DNA製備過程工業化。合成生物學正與人工智慧、大數據技術、化學合成技術會聚,加速工程化進程。

                第三,細胞免疫治療。細胞免疫治療(CAR-T)是通過基因工程手段修飾人的免疫效應細胞(T細胞),使其表達嵌合抗原受體(CAR),之後回輸入患者體內,使免疫細胞能特異性地識別腫瘤相關抗原,以此增強T細胞對腫瘤的特異性殺傷的一種技術。

                近年來,細胞免疫治療已成為包括惡性血液腫瘤在內的多種腫瘤治療的重要手段。細胞免疫治療對白血病的有效率可達到94%,用於實體瘤治療尚有待攻克。2017年,美國FDA批准了首個來自諾華製藥的細胞免疫療法用於治療白血病,繼而又批准了來自Kite製藥的CAR-T治療淋巴瘤。這標誌著細胞免疫療法已進入實用階段。在CART-T療法的開發上,美國遙遙領先,中國緊隨其後。

                統計顯示,正在開展的CAR-T臨床試驗共87項,美國54項,中國有23項。我國在國際實體瘤CAR-T細胞治療領域呈領先地位,已完成針對肝癌的CAR-T一期臨床試驗。

                三、人工智慧

                作者:唐川(中國科學院成都文獻情報中心副研究員)

                人工智慧研發與應用的重點領域主要集中在:機器學習/深度學習,計算機視覺/圖像識別,自然語言處理/語音識別,神經形態計算/腦啟發計算,腦科學與人工智慧,智能機器人/虛擬個人助理,自動駕駛/無人系統。

                各領域發展總體呈現以下趨勢:

                產業發展迅猛。人工智慧產業應用速度不斷加快、領域不斷拓展、技術不斷更新,人工智慧應用已經成為諸多行業的發展方向和轉型升級的重要抓手,新應用層出不窮,引發人工智慧產業的空前繁榮。

                專用技術不斷突破。由於面向特定領域的人工智慧技術(即專用人工智慧)應用場景需求明確、領域知識積累深厚、建模計算相對簡單可行,在多類單項測試中超越人類。

                通用技術仍需努力。目前人工智慧距離通用的智能系統還有很大差距,還處於有智能沒智慧、有智商沒情商的階段,對情景的準確判斷能力和精細操作能力僅屬於初級水平,也很難準確把握人類的情感、意識、需求等。

                應用領域不斷拓展。越來越多的不同領域與行業開始重點採用人工智慧技術。在生命健康領域,人工智慧技術可幫助醫生診斷乳腺癌,速度是人工的30倍,準確度為99%。在網路安全領域,人工智慧系統可準確預測85%的網路攻擊,高於人類分析師水平。

                社會影響快速擴散。公眾對人工智慧帶來的社會影響越來越感興趣,尤其是可能給人類帶來的威脅和利益衝突,每當出現特定的技術突破、事件或知名人士發表相關言論,都能引發公眾對人工智慧的熱烈關注與討論。

                近年來,各國政府紛紛加快在人工智慧領域的戰略布局,將其作為提升國家競爭力的重要抓手,啟動了各類研發或技術轉移計劃,力圖佔領技術、產業和應用的新的制高點,美國、英國、法國與日本等國都加大了資金投入和政策傾斜力度。

                例如,美國對人工智慧發展進行了全面、深入的戰略研究和系統布局,包括:成立專門機構,協調相關領域研發力量;組織社會力量,進行關鍵問題和重要政策研究;從科學研究、技術開發、產業應用、教育培訓等方面。

                歐盟於2009年和2013年發起了引領人工智慧前沿技術發展的「藍腦計劃」和「人類大腦工程」。2018年,歐盟24國簽署協議,至2020年將投資15億歐元,並帶動公共和私人資本參與,預計總投資將達到200億歐元。

                我國人工智慧技術雖然起步較晚,但在政府與社會各界的支持與投入下,取得了迅猛的發展。

                在基礎研究方面,我國已擁有設施齊全的研發機構與團隊,2017年2月起,國家發改委先後批複設立深度學習技術及應用國家工程實驗室、類腦智能技術及應用國家工程實驗室等研究單元。我國科研機構和企業在語音識別、圖像識別、機器翻譯、中文信息處理等方面已處於世界領先地位。智能晶元技術也實現了突破,中科院計算所團隊研製出的寒武紀神經網路處理器已成為國際競爭對手的追趕目標。

                與此同時,我國人工智慧相關產業蓬勃發展、創新創業日益活躍。據國內外多家市場研究機構分析,2017年我國人工智慧市場規模在135億~260億元人民幣之間,年增長率在41%-75%之間。2015年和2016年分別新成立了150家和128家人工智慧公司,其中已湧現若干獨角獸企業。

                此外,人工智慧受到政府的高度重視。自2016年起,我國快速將人工智慧發展上升至國家戰略層面,相關政策密集出台。2016年4月,工信部、發改委、財政部聯合出台了《機器人產業發展規劃(2016-2020年)》,聚焦智能工業型機器人和服務型機器人的發展。2016年5月,發改委、科技部、網信辦等聯合印發的《「互聯網+」人工智慧三年行動實施方案》提出到2018年基本建成人工智慧產業體系、創新服務體系和標準化體系。

                同月,科技部宣布將「人工智慧2.0」列為《「十三五」國家科技創新規劃》中「科技創新2030」重大項目之一。2017年7月,國務院發布《新一代人工智慧發展規劃》,從戰略態勢、總體要求、資源配置、立法、組織等各個層面確立了我國人工智慧發展規劃。此後,各政府部門與地方政府紛紛出台政策與戰略規劃,落實《新一代人工智慧發展規劃》的總體部署,相關技術研發與產業應用都得到了極大促進。

                四、移動互聯網

                作者:田倩飛(中國科學院成都文獻情報中心助理研究員)

                移動互聯網是互聯網與移動通信在各自獨立發展的基礎上相互融合的新興領域,主要由移動終端、移動通信網路和公眾互聯網服務等三要素構成,涉及無線蜂窩通信、無線區域網以及互聯網、物聯網、雲計算等諸多領域,能廣泛應用於個人即時通訊、家庭互聯、現代物流、智慧城市等多個場景。

                移動互聯網的演進歷程是移動通信和互聯網等技術匯聚、融合的過程,其中,不斷演進更迭的移動通信技術是其持續且快速發展的主要推手。每一代移動通信技術的演進似乎都是漸進式創新的產物,但當這種漸進式創新融入上世紀最具變革性影響的互聯網發展時,就會產生打破原有體系、取代已有技術、改變遊戲規則、重塑競爭格局等一系列顛覆性影響。

                目前,第五代移動通信(5G)已成為當前和未來全球業界的焦點,將引領移動互聯網進入新時代。美國高通公司指出,5G技術將成為和電力、互聯網等發明一樣的通用技術,催化未來的轉型變革,重新定義工作流程並重塑經濟競爭優勢規則。到2035年,5G將在全球創造12.3萬億美元的經濟產出,同時創造2200萬個工作崗位。針對新興5G技術,許多國家和地區都部署了詳細的5G發展規劃,全球領先企業和電信運營商也都在積極推進5G研發與測試。

                近年來,國家和產業機構對網路基礎設施建設的大力投入、移動終端的普及以及整個移動互聯網生態的不斷完善,給我國移動互聯網的快速發展帶來了前所未有的條件,幫助我國快速成為世界一流的移動互聯網之國。截至2017年12月,我國手機網民規模達7.53億,手機網民佔比達97.5%。以手機為中心的智能設備,成為「萬物互聯」的基礎,車聯網、智能家電促進「住行」體驗升級,構築個性化、智能化應用場景。移動互聯網服務場景不斷豐富、移動終端規模加速提升、移動數據量持續擴大,為移動互聯網產業創造更多價值挖掘空間。

                移動互聯網還在變革我國社會管理與社會生產,引領智能社會發展。移動互聯網讓我國政府機構、組織的管理和服務更精細、科學,直接推動著我國陽光型、服務型、法治型政府建設。我國移動政務的業務處理能力在不斷拓展,居民通過手持終端就可便捷地辦理多種公共業務,台湾、台湾、台湾等省市已經可以實現水電繳費、醫療挂號、交通出行、法院立案、港澳通行證續簽等服務功能。

              未來,我國移動互聯網在社會生產領域的應用還將得到極大提升和發展。在移動互聯網產生的海量大數據的支持下,農業、工業和第三產業都將得到不斷優化,包括生產流程、管理程序、產品運營、營銷模式都會發生變革或轉型,針對消費者的個性化需求與體驗,產品與服務也將更加垂直化、精細化。

               


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