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  2. 第3636期   20210119
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2021新技术展望

      在经历跌宕起伏的2020年后,人类又站到了新一年的起点上。2021年将会是怎样的一年?又会有哪些影响世界、影响我们生活的事件发生?一切都是未知。
  或许探索未知才是人类推动科学技术发展的原动力。人类的科技发展史就是一部探索未知世界的历史,随着人类对未知的探索,相应会产生大量的新认识、新技术,这些认识、技术有哪些是正确的、成功的,哪些是错误的、失败的,或许在短时间内都难辨是非。
  即便现在的科技发展程度,人类依然很难精准预测哪些新技术会取得成功,如果有人会准确预测哪种新技术取得成功,那人类的科研工作就变得轻松而无趣,反正都能预测何种新技术能成功,不能成功的技术也不会有人研究,所有的技术风险投资就不能称为“风险”投资了。
  技术探索的不可知性一旦消失,人们对未来的憧憬也会消失大半。未来主义的意义不在于猜测未来,而是为了挑战人们现有想象,这样未来到来时,我们才不会措手不及。
  因此,我们也整理一些探索技术,供读者对未来技术发展做个参考。 

 
量子优越性
      量子计算机存储和处理数据的方式与我们常见的经典计算机完全不同。理论上,它们可以解决某些类型的问题,这些问题即使是最强大的经典超级计算机也需要数千年才能解决,比如破解密码,或者在新药和材料研究中模拟的分子精确行为等。
  量子计算机已经存在好几年了,但只有在特定的条件下,它们才能超越经典计算机。一台拥有53个量子位元(量子计算的基本单位)的计算机用三分钟多一点的时间完成了一次计算任务,据谷歌估计,使用世界上最大的超级计算机完成这一任务可能需要1万年,也就是15亿倍长的时间。IBM对谷歌的说法提出了质疑,称量子计算机最多能使速度提高一千倍。即便如此,这也是一个里程碑式的提升。量子计算机每增加一个量子位元,其运算速度就会提高一倍。
  然而,谷歌的演示只是对量子计算概念的一个证明,相当于在计算器上做随机加法并证明答案是正确的。现在的目标是要制造有足够量子位的机器来解决实际问题。这是一个艰巨的挑战:因为量子位越多,就越难维持它们微妙的量子态。谷歌的工程师们相信他们的方法可以达到100到1000个量子位,这可能足够解决一些实际问题了,但是没有人确切知道能解决什么实际问题。
  2020年12月4日,中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建的一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”,在处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。量子计算成为了大国必争的技术高地,2021年的量子计算也将进入“后霸权时代”,更多地侧重在纠错与通用性上。

  
抗衰老药物
       第一波新型抗衰老药物已经开始人体测试。虽然它们目前还不能延长寿命,但有望通过减缓或逆转基本的衰老过程来治疗特定疾病。
  这类药物被称为“长寿药物”(Senolytics),其工作原理是消除某些随着年龄增长而积累的细胞。这些细胞又被称为“衰老细胞”,会导致轻微的炎症,抑制正常的细胞修复机制,并且置邻近细胞于有害环境之中。
  2019年6月,总部位于旧金山的联合生物技术公司(Unity Biotechnology)公布了药物在轻度至重度膝关节炎患者身上的初步测试结果,2020年下半年从更大规模的临床试验中获得更多结果。这家公司还在研发类似的药物,用来治疗与年龄有关的眼部和肺部疾病。
  某些生物自然变化过程是衰老和各种疾病的根源,而如今,Senolytics以及许多其他有希望的针对这些过程的新治疗手段正在进行人体测试。
  一家名为Alkahest的生物技术公司尝试向患者注射年轻人血液中的某些成分,称其有望阻止轻度和中度阿尔茨海默氏病患者的认知和功能性能力下降。该公司还在对治疗帕金森氏症和失智症的药物进行人体测试。
  此外,德雷塞尔大学医学院的研究人员还在尝试研究含有雷帕霉素(一种免疫抑制药物)的面霜,以证实其是否可以减缓皮肤衰老。
  这些实验反映出科研工作者正在加大努力,以研究与衰老相关的许多疾病(例如,心脏病、关节炎、癌症和失智症)是否可以通过特殊手段来延缓其发作。


火星探测
  2020年时逢两年一次的火星年,在这个窗口期,中国、美国、阿拉伯联合酋长国各自发射了火星探测器前往火星,如果不出意外,三颗探测器都将于2021年的2月抵达火星。
  中国的“天问一号”火星探测器于2020年7月23日升空,其主要任务是地质勘测,探测器将借助用雷达勘测几千米深的地层,採集岩石土壤等样本,绘製火星地质结构图,探测火星磁场,由此探究火星磁场的演变历史。这是中国首次火星探索任务,目标是通过一次发射实现火星环绕、着陆并开展火星表面地理探测,收集数据。“天问一号”计划于2021年2月左右开始环绕火星运行两个月,然后在4月底将将火星漫游车投放到火星表面。
  先行一步的是阿联酋的“希望号”火星探测器,它于2020年7月20日从日本种子岛航天中心发射升空。其任务类型接近于气象卫星,探测器将绕火星做近赤道轨道运行,收集火星上不同区域在不同季节和不同时间的全天候气象数据,帮助地球上的科学家更全面地了解火星的气候条件。“毅力号”是美国航空航天局有史以来运送到这颗红色星球的最大、最重、最复杂的飞行器,它将降落在耶泽洛寻找火星古代生命的迹象。据称,耶泽洛数十亿年前曾存在一个湖泊和一个河流三角洲。  


人工智能
      近年来,人工智能风头无两,它对人们生活的影响已经十分广泛,但却依然处于早期发展阶段,成为引导人类未来生活的重要趋势。人工智能的一些重要分支已经发展起来,包括机器学习以及与AI密切相关的RPA(机器人流程自动化)。
  机器学习通过洞察数据样本中的本质结构来执行任务。目前它已经在各种行业中迅速部署,对熟练的专业人员产生了巨大的需求。据有关专家估计,到2022年,机器学习市场预计将增长到88.1亿美元。机器学习为网络搜索结果,实时广告和网络入侵检测提供大量支持,而这还只是其广泛应用的区区一隅。
  RPA是通过程序来自动化业务流程,例如解释应用程序、处理交易、处理数据、甚至回复电子邮件。RPA将人们从重复性的任务解放出来,其应用范围广泛涉及到社会的方方面面。
  此外,人工智能发展有一个现实问题:为了构建更强大的算法,研究人员正在使用越来越多的大数据和计算能力,并依赖于中心化的云服务。这不仅会产生惊人的碳排放量,而且还限制了人工智能应用的运行速度,同时造成很多隐私问题。
  微型人工智能的兴起正在改变这一点。科技巨头和学术研究人员正在探索新的算法,在不丧失能力的情况下缩小现有的深度学习模型。与此同时,新一代的专用人工智能芯片有望将更多的计算能力集成到更紧密的物理空间中,以更低的功耗来训练和运行人工智能算法。
  微型人工智能所带来的好处是显而易见的。现有的服务比如语音助手、自动更正和数码相机等将变得更好更快,不必每次都需要连接云端才能运行深度学习模型;此外,微型人工智能也将使新的应用成为可能,比如基于移动端的医学影像分析或对反应时间要求更快的自动驾驶汽车;最后,本地化的人工智能更利于隐私保护,因为你的数据不再需要离开设备就能实现服务或功能的进化。
  但是,随着人工智能技术得到分布普及,它所面临的挑战也随之而来。例如,打击深度伪造视频可能会变得更加困难,歧视性算法也可能激增。研究人员、工程师和政策制定者们现在需要共同努力,对这些潜在危害进行技术和政策检查。 

 

   超级星座卫星

       世界上仍有超过35亿人无法使用互联网。像SpaceX和OneWeb这样的公司认为,他们可以通过发射数千颗卫星来组成巨大的卫星星座,让地球上的每一寸土地都能通过宽带连上互联网终端。只要这些终端的上空未被遮挡,他们就可以将互联网传送到附近的任何设备上。仅SpaceX 一家计划在十年内入轨的卫星数量,就比人类历史上发射卫星的数量总和还多4.5倍。
  部署这些巨大的卫星星座是可行的,因为我们已经学会了如何制造更小的卫星,并以更低的价格进行发射。在航天飞机时代,将卫星发射到太空的成本约为每磅24,800美元。发射一颗重量4吨的小型通信卫星的成本接近2亿美元。
  如今,SpaceX的Starlink卫星重量仅有约500磅(227千克)。可重复使用的设计和低廉的制造成本,意味着我们可以通过火箭一次性发射几十颗卫星,从而大幅降低成本。现在,SpaceX“猎鹰”9号火箭发射的成本只有每磅1240美元。
  去年,首批120颗Starlink卫星已经发射升空,该公司计划从2020年1月开始每两周进行一次发射,每次60颗卫星。OneWeb已于2020年2月发射34颗卫星并表示将于今年开始在部分区域提供商用服务。我们很快就会看到成千上万颗卫星协同工作,让地球上哪怕是最贫穷和最偏远的地区也能用上互联网。
  但要想实现这个目标,还有一些问题需要解决。一些来自学界的研究者对这项计划非常不满,认为大量卫星会对天文学的研究造成干扰。更糟糕的是,这么多的卫星在轨道上运动,一旦发生一起碰撞事故,就可能会像雪崩一样引发无数起碰撞,最终形成千千万万块空间碎片。这样的灾难会让未来人类几乎无法再使用卫星服务和进行太空探索。2019年9月,Starlink的一颗卫星与欧洲航天局的一颗气象卫星险些相撞,吓出一身冷汗的人们意识到,我们还完全没有做好准备,维持如此大量的卫星在轨运行。
  未来十年内,这些巨形卫星互联网星座的命运将决定地球轨道空间的未来。  


新分子研究
       可能被转化为潜在救命药物的分子数量令人难以想象:或比太阳系中所有原子的数量还要多,提供了几乎无限的化学可能性——如果化学家们能够从中找到有价值的分子。
  现在,机器学习工具可以用来探索包含已知分子及其特性的大型数据库,利用这些信息可以产生新的可能性,实现以更快的速度、更低的成本发现新的候选药物。
  2019年9月,香港的Insilico Medicine公司和多伦多大学的研究团队实现了重大实验突破,通过合成人工智能算法发现的几种候选药物,证明了该策略的有效性。
  研究人员利用深度学习和生成模型相关的技术,也就是类似于让计算机在古代围棋比赛中击败世界冠军的技术,成功确定了大约30000种具有理想特性的新分子。他们从中选择了6种进行药物合成和测试,其中的一种在动物实验中表现出了较高的活性,被证明很有希望。
  药物发现领域的化学家们时常会去设想一种新分子——对于最优秀的药物猎手来说,这是一门艺术,背后需要多年的经验磨练和敏锐的直觉,现在,这些科学家们有了新的工具来进一步扩展他们的想象力。  
量子互联网
      基于量子物理学的互联网将很快实现稳定的安全通信。由代尔夫特理工大学的Stephanie Wehner领导的团队,正在完全通过量子技术建立一个可以连接荷兰四个城市的网络。通过这个网络发送的消息将无法破解。
  在过去的几年里,科学家们已经掌握了用光纤电缆来传输成对的光子,这是一种可以绝对保护光子中编码信息的传输方式。一支由潘建伟教授带领的中国团队使用这种技术,在北京和上海之间建造了一个长达2000千米的骨干网络,但该项目部分依赖于经典组件,这些组件在建立新的量子网络之前会周期性地断开网络,因此依然存在被黑客攻击的风险。
  相比之下,代尔夫特理工大学的网络将是第一个使用量子技术在城市之间传输信息的网络。这项技术依赖于一种被称为“量子纠缠”的粒子行为。纠缠的光子在不破坏其内容的情况下无法被秘密读取。
  但是,创建纠缠的粒子很难,远距离传输粒子更难。Wehner的团队已经证明,他们可以将粒子发送超过1.5千米的距离,他们有信心在今年年底左右建成代尔夫特和海牙之间的量子网络。而更远距离的网络连接将需要量子中继器来扩展。
  代尔夫特理工大学和其他一些机构正在设计这种中继器。Wehner说,第一个量子中继器将在未来五到六年内完成,并将在本世纪20年代末建成一个全球量子网络。
环境保护
  2021年被科学家们视作环境保护工作的一个新节点。2020 一年的疫情使得人类活动明显减少,也让许多人有机会以不一样的视角审视当下的地球环境。目前,许多环境保护协定将计划在2021年进一步推进。拯救地球,已然刻不容缓。
  “联合国海洋科学促进可持续发展十年”(20212030)简称“海洋十年”实施计划,现已提交联合国,待2020年联合国大会批准后,将于2021年正式启动实施。
  《生物多样性公约》第十五次缔约方大会原计划2020年10月于中国昆明举行,受新冠肺炎疫情影响,延期至2021年5月举办。届时世界各国将尝试制定一条更有效的路径,形成一个系统性的生物多样性保护方案。
  第二十六届联合国气候变化大会同样也因新冠疫情将推迟至2021年11月在苏格兰格拉斯哥市举办。届时与会各国将试图调和气候变化危机与疫情引发的经济危机,以求更坚定、更有魄力地推动减排,增强韧性,加强全球协作。