來自《麻省理工科技評論》最新發(fā)布的全球十大突破性技術(shù)

《麻省理工科技評論》于近日揭曉2018 年“全球十大突破性技術(shù)”，這份全球新興科技領(lǐng)域的權(quán)威榜單至今已經(jīng)有 17 年的歷史。

此次入榜技術(shù)包括：3D金屬打印、人造胚胎、傳感城市、面向每個人的人工智能（AI）、對抗性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時翻譯耳塞、零碳排放天然氣發(fā)電、完美網(wǎng)絡(luò)隱私、基因預(yù)測、材料的量子飛躍。評委認(rèn)為，它們將在未來數(shù)年里，深刻影響我們的工作和生活方式。

1、給所有人的人工智能 AI for everyone

入選理由：將機(jī)器學(xué)習(xí)工具搬上云端，將有助于人工智能更廣泛的傳播

重大意義：目前，人工智能的應(yīng)用是受到少數(shù)幾家公司統(tǒng)治的。但其一旦與云技術(shù)相結(jié)合，那它將可以對許多人變得觸手可及，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的爆發(fā)式增長。

主要研究者：Google,亞馬遜，阿里云，騰訊云，百度云，金山云，京東云，華為云，電信云，美團(tuán)云。

憂慮：不能從無到有。AI理解不了自己不能創(chuàng)造的東西。

迄今，AI仍是幾家大型科技公司以及少數(shù)初創(chuàng)公司的“玩物”，對于其他人來說，AI太貴也太難普及。不過，基于云端的機(jī)器學(xué)習(xí)工具正在將AI帶給更廣泛的群體。如今，亞馬遜、谷歌、微軟都在試圖成為云服務(wù)市場的領(lǐng)導(dǎo)者，可以預(yù)見，這是一個巨大的商業(yè)機(jī)會。如果AI革命會廣泛傳播至經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，那么他們推出的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，也會隨之成為必需品。

同時，我們看到AI已經(jīng)非常擅長識別物體：一百萬張圖片中，它會準(zhǔn)確的描述哪張有行人在過馬路。但是AI不會獨(dú)自生成行人的圖片。如果能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它將可以創(chuàng)造大量看似真實(shí)的合成圖片，完善自動駕駛系統(tǒng)?，F(xiàn)在，對抗式生成網(wǎng)絡(luò)（GAN）正在利用兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓二者對抗廝殺并訓(xùn)練。其中一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)叫生成網(wǎng)絡(luò)，依照所見來生成新的圖片；另一則叫判別網(wǎng)絡(luò)，判斷它所見圖片的真實(shí)。最后，生成網(wǎng)絡(luò)學(xué)會了識別并創(chuàng)造十分真實(shí)的圖片。

2、對抗式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GAN）Dueling neural networks

過去十年最具潛力的人工智能突破。減少人類協(xié)助來優(yōu)化模型。對于無法獲得大量數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，有很大發(fā)揮空間，比如重視隱私的醫(yī)學(xué)。

技術(shù)突破：兩個 AI 系統(tǒng)可以通過相互對抗來創(chuàng)造超級真實(shí)的原創(chuàng)圖像或聲音，而在此之前，機(jī)器從未有這種能力

重大意義：這給機(jī)器帶來一種類似想象力的能力，因此可能讓它們變得不再那么依賴人類，但也把它們變成了一種能力驚人的數(shù)字造假工具。

憂慮：用貓的圖片來訓(xùn)練，無法生成狗的圖片。對參數(shù)非常敏感。

主要研究者：Google Brain、DeepMind、英偉達(dá)、中科院自動化所、百度、阿里巴巴、騰訊、商湯科技、依圖科技、云從科技、曠世科技等。

人工智能識別物體的能力已經(jīng)越來越強(qiáng)了：給它看一百萬張圖片，它就可以用驚人的準(zhǔn)確度來告訴你究竟哪張里面有個行人在過馬路。但是 AI 幾乎不可能獨(dú)自生成行人的圖片。如果它可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它將可以創(chuàng)造大量看似真實(shí)的合成圖片，把行人放在各種環(huán)境下。而自動駕駛系統(tǒng)或許足不出戶就能使用這些圖片進(jìn)行訓(xùn)練。 但問題在于，從無到有創(chuàng)造一個東西需要想象力，而這正是人工智能技術(shù)一直難以實(shí)現(xiàn)的能力。

直到 2014 年，當(dāng)時還是蒙特利爾大學(xué)博士生的 Ian Goodfellow 在酒吧里與友人進(jìn)行學(xué)術(shù)辯論時，他突然想到了這個問題的答案。這種名為“對抗式生成網(wǎng)絡(luò)”（GAN）的手段會使用兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（一種簡化人腦數(shù)學(xué)模型，是現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)基石），然后讓這兩者在數(shù)字版的“貓捉老鼠”游戲中相互拼殺。

這兩個網(wǎng)絡(luò)會使用同一個數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。其中一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)叫生成網(wǎng)絡(luò)，它的任務(wù)就是依照所見過的圖片來生成新的圖片，比如一個多長一條手臂的行人。而另外那個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)叫判別網(wǎng)絡(luò)，它的任務(wù)則是判斷它所見得圖片是否與訓(xùn)練時的圖片相似，還是由生成模型創(chuàng)造出來的“假貨”，比如，判斷那個長著三個手臂的人有沒有可能是真的？

慢慢的，生成網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造圖片的能力會強(qiáng)到無法被判別網(wǎng)絡(luò)識破的程度?；旧?，經(jīng)過訓(xùn)練之后，生成網(wǎng)絡(luò)學(xué)會了識別并創(chuàng)造看起來十分真實(shí)的行人圖片。這項技術(shù)已經(jīng)成為了在過去十年最具潛力的人工智能突破，幫助機(jī)器產(chǎn)生甚至可以欺騙人類的成果。

3、完美的網(wǎng)絡(luò)隱私 Perfect online privacy

傳統(tǒng)的證明是非交互的，我們可以把它寫在紙上供驗(yàn)證者在無需證明者在場的情況下進(jìn)行驗(yàn)證。1985年Goldwasser，Micali和Rackoff通過給傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)證明引入隨機(jī)性和交互，即以問答方式進(jìn)行證明，由此產(chǎn)生的交互證明系統(tǒng),這給后來整個計算機(jī)科學(xué)和密碼學(xué)的發(fā)展帶來了（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出概念提出者所預(yù)料的）深遠(yuǎn)的影響。

入選理由：原本為加密貨幣的交易過程開發(fā)的一種工具，現(xiàn)在能讓你在上網(wǎng)時避免透露任何非必要信息。真正的互聯(lián)網(wǎng)隱私終于可以實(shí)現(xiàn)了。

重大意義：如果你需要透露個人信息以在網(wǎng)上完成某件事，這個方法可以讓你在免除隱私泄漏或身份被盜竊風(fēng)險的同時輕松實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)突破：計算機(jī)科學(xué)家正在完善一款加密工具，可以在不透露非必要信息的前提下完成驗(yàn)證。

主要研究者：Zcash、摩根大通、荷蘭國際集團(tuán)等

多虧一款新工具的出現(xiàn)，真正的互聯(lián)網(wǎng)隱私終于可以實(shí)現(xiàn)了。舉個例子，該工具可以讓你不用透露出生日期就能證明自己年滿 18 歲，或者不用透露自己的銀行余額或其他細(xì)節(jié)，就能證明自己在銀行有足夠的存款可以完成金融交易。這樣就大大降低了隱私泄漏或身份盜用的風(fēng)險。這款工具是一種叫做“零知識驗(yàn)證”（zero-knowledge proof）的新密碼協(xié)議。

盡管研究人員已經(jīng)研究了幾十年，但直到去年人們對零知識驗(yàn)證的興趣才開始暴增，某種程度上，這要得益于人們對加密貨幣日益增長的熱情，以及大多數(shù)加密貨幣都為機(jī)構(gòu)所擁有的的現(xiàn)實(shí)。同時，很大一定程度上也得益于 2016 年末建立的電子貨幣——Zcash 把零知識驗(yàn)證應(yīng)用于實(shí)際。Zcash 的研發(fā)人員使用一種叫做 zk-SNARK（簡明非交互零知識驗(yàn)證）的方法讓用戶進(jìn)行匿名交易。通常，這在比特幣以及其他公共區(qū)塊鏈系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的，比特幣以及其他公共區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的交易對所有人都是公開透明的。

盡管理論上來說，這些交易都是匿名的，但通過與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，還是可以追蹤到甚至識別出交易人。世界第二大區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以太坊創(chuàng)始人 Vitalik Buterin 將 zk-SNARK 稱為一項“徹底改變游戲規(guī)則的技術(shù)”。對銀行來說，這樣就可以在支付系統(tǒng)中使用區(qū)塊鏈了，同時還能保護(hù)客戶隱私。

去年，摩根大通將 zk-SNARK 添加到自己基于區(qū)塊鏈的支付系統(tǒng)中。不過盡管 zk-SNARK 承諾種種好處，但計算量大，運(yùn)行緩慢。同時，zk-SNARK 需要“信任安裝”，所生成的密鑰如果落入壞人之手就可以破壞整個系統(tǒng)。不過，研究人員正在努力研究替代方案，希望可以更加高效地部署零知識驗(yàn)證，同時不需要上述密鑰。

現(xiàn)在，更多的區(qū)塊鏈系統(tǒng)將要或正在集成零知識證明這一技術(shù)。區(qū)塊鏈中有部分成熟的應(yīng)用，其交易相關(guān)的隱私數(shù)據(jù)需要對任意第三方保密，如在供應(yīng)鏈系統(tǒng)中一旦暴露就會造成巨大的后果。對于這類不能將信息暴露給潛在第三方的系統(tǒng)，零知識證明毫無疑問是一個“剛需”。搭上區(qū)塊鏈高速發(fā)展的快車，零知識證明技術(shù)可望在不遠(yuǎn)的將來得到廣泛的應(yīng)用，成為下一代價值互聯(lián)網(wǎng)的基石。

4、傳感城市Sensing city

入選理由：Alphabet 旗下的 Sidewalk Labs 計劃創(chuàng)建一個高科技社區(qū)來重新思考到底應(yīng)該如何建設(shè)和運(yùn)營一座城市。傳感城市更宜居、環(huán)保。收集各種信息，軟件和系統(tǒng)開源。給城市裝上全新的數(shù)字肢體和感官。

技術(shù)突破：多倫多的一個街區(qū)有望成為全球首個成功將尖端城市設(shè)計與前沿科技融合在一起的地方。

重大意義：智慧城市會讓都市地區(qū)變得更加可負(fù)擔(dān)、宜居、環(huán)保。

缺點(diǎn)：隱私問題。政策壁壘，極高的技術(shù)難度，昂貴的建設(shè)和維護(hù)成本。多方利益集團(tuán)的博弈，妨礙城市標(biāo)準(zhǔn)化。

主要研究者：Alphabet 旗下的 Sidewalk Labs、多倫多 Waterfront、阿里巴巴等。

如今，全球很多智慧城市計劃都已擱淺，要么下調(diào)了曾經(jīng)雄心勃勃的目標(biāo)，要么因?yàn)樯畛杀驹虮谱吡顺壐缓乐獾钠胀ň用?。而多倫多的一個叫 Quayside 的項目，卻希望從頭開始重新設(shè)計一個社區(qū)，用最新的數(shù)字技術(shù)將其重建，打破現(xiàn)有的失敗局面。

Alphabet 旗下位于紐約市的 Sidewalk Labs 將和加拿大政府進(jìn)行合作，讓這一高科技項目落地在多倫多 Waterfront 工業(yè)區(qū)。

該項目的目標(biāo)之一就是讓一切關(guān)于設(shè)計、政策以及信息科技的決策都以一個巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。這個網(wǎng)絡(luò)將收集各種信息：空氣質(zhì)量、噪聲水平以及人們的行為等數(shù)據(jù)。

在該規(guī)劃中，一切車輛都是自動駕駛的共享車輛，地下也將跑著負(fù)責(zé)送快遞這種低級體力勞動的機(jī)器人。Sidewalk Labs 表示，他們計劃讓正在設(shè)計的軟件與系統(tǒng)開源，可以允許其他公司在其上創(chuàng)建服務(wù)，類似為手機(jī)開發(fā) APP 的做法。

該公司計劃密切監(jiān)視公共基礎(chǔ)設(shè)施，然而這卻引起了對數(shù)據(jù)管理與隱私的擔(dān)憂。但是 Sidewalk Labs 相信，它可以通過與社區(qū)和當(dāng)?shù)卣暮献?，緩解部分?dān)憂。

螞蟻技術(shù)實(shí)驗(yàn)室無人值守算法技術(shù)負(fù)責(zé)人曾曉東：城市版本的“操作系統(tǒng) OS”，搭載先進(jìn)的“四肢”與“感官系統(tǒng)”為項目的關(guān)鍵所在。毫無疑問，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在項目中會得到廣泛的應(yīng)用，大量的傳感器將融入整個城市的建設(shè)當(dāng)中，就如同給城市裝上全新的數(shù)字肢體和感官，萬物實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、可感、可控，城市的運(yùn)行將由一個無比強(qiáng)大的 AI 接管。

5、巴別魚耳塞 Babel-fish earbuds

名稱來歷：《銀河系漫游指南》。將巴別魚塞入耳中，能聽懂任何語言。巴別魚的名稱又來自巴別塔。人們因?yàn)檎Z言不通，造不了通天塔。

入選理由：雖然現(xiàn)有硬件并不那么好用，但谷歌 Pixel Buds 卻展示了實(shí)時翻譯的前景。在全球化日益發(fā)展的今天，語言仍是交流的一大障礙。

技術(shù)突破：近實(shí)時翻譯適用于多種語言，而且使用起來很方便。

主要研究者：谷歌、科大訊飛、百度、騰訊、搜狗、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)等。

在風(fēng)靡一時的科幻經(jīng)典《銀河系漫游指南》中，你把一條黃色的巴別魚塞到耳朵里，就可以聽到實(shí)時翻譯。在現(xiàn)實(shí)世界中，谷歌已經(jīng)研究出了一個過渡性的解決方案：一副叫做 Pixel Buds 價值 159 美元的耳塞。這副耳塞可以在 Pixel 智能手機(jī)上通過谷歌翻譯應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時翻譯。需要一個人佩戴耳塞，另一個人手持手機(jī)。

佩戴耳塞的人用自己的語言講話——默認(rèn)是英語——然后谷歌翻譯應(yīng)用就會對所講的話進(jìn)行翻譯，并在智能手機(jī)上大聲播放。手持手機(jī)的人回應(yīng)后，回答被翻譯，然后在耳塞中播放。

谷歌翻譯之前就已經(jīng)有了對話功能，其 iOS 和安卓版應(yīng)用都可以自動識別說話者的語言，然后自動翻譯。但背景噪音會增加應(yīng)用理解話語的難度，同時也會讓應(yīng)用很難判斷說話人何時停頓，何時開始翻譯。Pixel Buds 有效解決了這些問題，因?yàn)榕宕魅丝梢栽谡f話的同時用手指點(diǎn)擊和長按右邊的耳塞。將交互分別放在智能手機(jī)和耳塞上，可以讓雙方都能控制麥克風(fēng)，幫助講者保持眼神交流，因?yàn)檫@樣就不用來回傳遞手機(jī)了。

目前，Pixel Buds 因?yàn)榈陀谛袠I(yè)平均水準(zhǔn)的設(shè)計而備受抨擊。耳塞看起來很不智能，也不是很貼合耳朵，而且很難與手機(jī)進(jìn)行適配。不過硬件笨拙還是有計可施的。Pixel Buds 讓大家看到了近實(shí)時翻譯跨語言障礙自由溝通的曙光，而且你還不用把一條巴別魚塞到耳朵里。

在中國，有許多公司也積極投入發(fā)展，科大訊飛、百度、搜狗可以說是這個領(lǐng)域的領(lǐng)先者，除了提供智能語音、翻譯等服務(wù)外，也將技術(shù)引入硬件中，不過，相較于外國業(yè)者偏好以耳機(jī)作為切入點(diǎn)，中國企業(yè)則選擇翻譯機(jī)，像是科大訊飛推出曉譯翻譯機(jī)，百度則有共享 WiFi 翻譯機(jī)，搜狗也在日前發(fā)表“旅行翻譯寶”和“速記翻譯筆”。

6、基因占卜 Genetic fortune-telling

入選理由：大規(guī)模基因研究將讓科學(xué)家能夠預(yù)測普通疾病及人格特征

技術(shù)突破：科學(xué)家們現(xiàn)在可以利用你的基因組數(shù)據(jù)預(yù)測你患心臟病或乳腺癌的幾率，甚至你的智商也能被預(yù)測

重大意義：基于 DNA 的預(yù)測技術(shù)可能公共健康領(lǐng)域下一個重大突破，但它將增加歧視的風(fēng)險。

主要研究者：Helix、23andMe、Myriad Genetics、UKBiobank 、Broad Institute、華大基因、奕真生物、WeGene等

憂慮：是福是禍尚未可知。

將來有一天，嬰兒出生時就會得到一份 DNA 檢測報告。這些報告將提供嬰兒患心臟病或癌癥的幾率、是否對煙草上癮，以及是否比一般人更聰明的預(yù)測。由于大型基因研究（部分研究涉及人數(shù)超過 100 萬人）的開展以及科學(xué)進(jìn)步，這樣的報告很快就會從概念變成現(xiàn)實(shí)。

事實(shí)證明，最常見的疾病和人們的許多行為和特征，包括智力水平，都不是一個或幾個基因影響的結(jié)果，而是許多基因作用的結(jié)果。利用正在進(jìn)行的大型基因研究的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們正在創(chuàng)造他們所謂的“多基因風(fēng)險評分”指標(biāo)。

盡管新的 DNA 測試只是提供了概率推斷，而不是直接得出診斷結(jié)論，但依然可以極大地造福醫(yī)學(xué)的發(fā)展。例如，如果那些患乳腺癌幾率高的女性做更多的乳房 X 光檢查，而患病幾率低的女性做更少的乳房 X 光檢查，那么這些檢查可能會發(fā)現(xiàn)更多真正罹患癌癥的患者，也能降低假警報發(fā)生的幾率。制藥公司還可以在針對阿爾茨海默病或心臟病等疾病的預(yù)防性藥物的臨床試驗(yàn)中使用這些分?jǐn)?shù)指標(biāo)。通過挑選患病風(fēng)險更高的志愿者，他們可以更準(zhǔn)確地測試藥物的效果。

問題是，這些預(yù)測遠(yuǎn)非完美。誰愿意知道他們未來可能會患上阿茲海默癥? 如果癌癥風(fēng)險指標(biāo)得分低的人推遲接受篩查，然后又患上癌癥怎么辦? 多基因檢查指標(biāo)評分也存在其他爭議，因?yàn)樗鼈儙缀蹩梢灶A(yù)測任何個體特征，不僅僅是疾病。例如，我們現(xiàn)在可能只能預(yù)測一個人在智商測試中表現(xiàn)的 10%。隨著評分技術(shù)的提升，基于 DNA 的智商預(yù)測很可能會成為常態(tài)。

然而，家長和教育工作者應(yīng)該如何使用這些信息呢? 對此，行為遺傳學(xué)家 EricTurkheimer 表示，這項新技術(shù)“既令人興奮又令人擔(dān)憂”，因?yàn)榛驍?shù)據(jù)不僅可以造福我們，也有可能會被用于其他用途，產(chǎn)生不好的影響。

這一領(lǐng)域近年來加速式前進(jìn)，并獲得來自大學(xué)院校等科研機(jī)構(gòu)，初創(chuàng)公司跨國藥廠等企業(yè)，以及風(fēng)險投資等資本市場的持續(xù)投入，從而讓研究人員得以分析預(yù)判遺傳信息對人類的健康狀況、疾病風(fēng)險、甚至智力等個人能力等影響，這無疑將會影響醫(yī)療、保險、教育等多個層面，而這一連串的效應(yīng)雖然剛剛開始但發(fā)展迅猛，究竟是福是禍尚未可知。

7、人造胚胎 Artificial embryos

入選理由：科學(xué)家們已經(jīng)開始通過干細(xì)胞制造胚胎。可用于胚胎早期發(fā)育的基礎(chǔ)研究，探究遺傳缺陷。評價篩選藥物對胚胎的安全性。

技術(shù)突破：在不使用卵細(xì)胞或精子細(xì)胞的情況下，研究人員僅從干細(xì)胞中就可以培育出類似胚胎的結(jié)構(gòu)，為創(chuàng)造人造生命提供了一條全新的途徑。

重要意義：人造胚胎將為研究人員研究人類生命神秘起源提供更方便的工具，但該技術(shù)正在引發(fā)新的生物倫理爭議此研究生物倫理爭議較大。

14天規(guī)則：14天之前，人類胚胎還不具備人類特征，不存在倫理問題。

主要研究者：劍橋大學(xué)、密歇根大學(xué)、洛克菲勒大學(xué)、中國科學(xué)院等

英國劍橋大學(xué)的胚胎學(xué)家們在一項重新定義了如何創(chuàng)造人造生命的突破性研究中，利用干細(xì)胞培育出了一種逼真的小鼠胚胎。該胚胎并不是由卵細(xì)胞與精子結(jié)合而來的，只使用了從另一個胚胎中得到的細(xì)胞。

研究人員將這些細(xì)胞小心翼翼地放在三維支架上觀察，細(xì)胞隨后彼此開始聯(lián)結(jié)，并且排列成幾天大的老鼠胚胎獨(dú)有的子彈形狀，研究人員被這一景象吸引住了?！拔覀冎栏杉?xì)胞有著極其強(qiáng)大的潛能，可以展現(xiàn)出近乎魔法般的能力。然而，我們沒有意識到，他們可以如此完美地實(shí)現(xiàn)自組織”，團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Magdelena Zernicka -Goetz 表示。

Zernicka-Goetz 稱，她的“合成”的胚胎可能不會發(fā)育成老鼠。盡管如此，它們也意味著，我們很快就可以實(shí)現(xiàn)在沒有卵子的情況下育出哺乳動物。

但這并不是 Zernicka-Goetz 的最終目標(biāo)。她想研究早期胚胎的細(xì)胞是如何開始分化出其特殊作用的。她說，研究的下一步是使用人類胚胎干細(xì)胞生成人造胚胎，這也是密歇根大學(xué)和洛克菲勒大學(xué)正在進(jìn)行的研究。

然而，人造胚胎將會引發(fā)一些倫理問題。如果它們最終與真實(shí)的人類胚胎難以區(qū)分，我們該怎么辦? 在它們形成痛覺之前，它們能在實(shí)驗(yàn)室里成長多久? 生物倫理學(xué)家們說，我們需要在科學(xué)競賽愈演愈烈之前解決這些問題。

8、材料的量子飛躍 Materials' quantum leap

入選理由：研究者們最近開始使用量子計算機(jī)對簡單分子進(jìn)行建模，而這僅僅是開始。

技術(shù)突破：IBM 采用 7 量子比特的量子計算機(jī)對小分子的電子結(jié)構(gòu)成功地進(jìn)行彷真計算。

重大意義：借助該技術(shù)，科學(xué)家能了解分子的各個方面信息并以此開發(fā)出更有效的藥物以及更高效生成或傳輸能源的新材料。

主要研究者：IBM、Google、哈佛大學(xué) Alán Aspuru-Guzik 教授、中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院、浙江大學(xué)、阿里巴巴等

新型量子計算機(jī)功能強(qiáng)大，不過它的發(fā)展道路上依然籠罩著一層迷霧：量子計算機(jī)有著當(dāng)今計算機(jī)無法比擬的計算力，但是我們至今尚未弄清楚這種能力能被用來做什么。一個前景無限的應(yīng)用方向正在向量子計算機(jī)招手：精確分子設(shè)計。

多少年來，化學(xué)家都夢想著能設(shè)計出新型蛋白質(zhì)，用于研制更有療效的藥物，或是設(shè)計出新型高效電池中的電解質(zhì)、直接將太陽能轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料的神奇化合物以及更高效的太陽能電池。然而，這些技術(shù)中的材料分子都難以在計算機(jī)上建模和彷真，遑論設(shè)計和合成了。即使彷真一個簡單分子的電子形態(tài)這樣的任務(wù)，都會復(fù)雜到讓現(xiàn)有的計算機(jī)敗下陣來。不過，這對于量子計算機(jī)而言就是小菜一碟了。

相比傳統(tǒng)計算機(jī)那樣采用“1”或“0”的數(shù)字比特（Digital Bits）作為計算和存儲單元，量子計算機(jī)采用量子系統(tǒng)的量子比特（Qubits）作為運(yùn)算單元。最近，IBM 的研究者應(yīng)用 7 量子比特量子計算機(jī)針對一個三原子分子進(jìn)行了彷真實(shí)驗(yàn)。

如今，科學(xué)家正在打造具有更多量子比特的量子計算機(jī)，量子算法也在提升，我們更感興趣的大分子精確彷真計算也將成為可能。

實(shí)際上，中國在量子計算方面也有相當(dāng)明顯的成長，雖然目前的技術(shù)層次還無法與前面幾家大企業(yè)相提并論，但是在產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界，以及政府的通力合作之下，也正一步步追趕上領(lǐng)先者的腳步。

2017 年 5 月，中國科學(xué)院宣布由中科大、中國科學(xué)院──阿里巴巴量子核算實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、中科院物理所等單位或公司聯(lián)合研製的光量子電腦正式誕生。另外，同年 10 月 11 日，由中科院與阿里云合作發(fā)佈量子計算云平臺，量子計算的商業(yè)化已經(jīng)近在咫尺，速度毫不遜色于歐美的腳步。

然而，量子計算還有不少需要突破的地方，首先，量子計算的精度相當(dāng)?shù)停m然用在深度學(xué)習(xí)等精度需求不高的計算上相當(dāng)合適，但要處理傳統(tǒng)計算機(jī)的通用計算工作，可能就力有未逮了。其次，量子計算這種高度并行的計算環(huán)境需要框架的適配，以及編譯器的針對性優(yōu)化，這種開發(fā)邏輯與現(xiàn)有的計算架構(gòu)完全不同。

9、實(shí)用型 3D 金屬打印機(jī) 3D metal printing

入選理由：新型設(shè)備首次讓 3D 打印金屬零部件成為實(shí)用型技術(shù)。

技術(shù)突破：3D 金屬打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了低成本快速金屬物體打印。

重大意義：按需打印大型復(fù)雜金屬物體的能力將為制造業(yè)帶來變革?？蓪?shí)現(xiàn)低成本、快速金屬部件打印。趨勢為大尺寸、精致化 、自動化，成本越來越低，使用越來越簡單，與工業(yè)4.0相關(guān)，有望成為實(shí)用量產(chǎn)的。

技術(shù)缺點(diǎn)：可能存在材料成本昂貴，犧牲精度或制造速度等問題。

主要研究者：Markforged、Desktop Metal、GE等。

雖然 3D 打印技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年，但它之前仍然局限在業(yè)余愛好者和設(shè)計師的小圈子內(nèi)，只是用來制造一次性原型。而且，之前的 3D 打印技術(shù)使用任何非塑料材料（尤其是金屬）時，成本非常昂貴，速度也慢得讓人無法接受。

不過現(xiàn)在，隨著成本越來越低，使用也越來越簡單，這項技術(shù)有望成為可用于零部件生產(chǎn)的實(shí)用技術(shù)。如果它被廣泛應(yīng)用，將有可能改變我們大規(guī)模量產(chǎn)產(chǎn)品的方式。

短期來看，有了這項技術(shù)后，制造商們將不再需要維持大量的庫存，他們可以按需地打印一個部件。比如說，當(dāng)顧客需要給舊車替換一個零部件的時候，就可以立即提供給他。

長期來看，那些大規(guī)模生產(chǎn)某一特定零部件的大工廠將會被產(chǎn)品線豐富的小工坊所取代。這些小工坊將能按照顧客的需求隨時打印出各種各樣的零部件。

這項技術(shù)的優(yōu)勢在于它可以生產(chǎn)出更輕、更堅固的金屬零部件，以及用傳統(tǒng)金屬加工方法無法制造出來的復(fù)雜形狀的零部件。它甚至還可以在制造過程中精確調(diào)控金屬的微觀結(jié)構(gòu)。

2017 年，來自勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人員宣布他們研發(fā)出了一種 3D 打印不銹鋼零部件的方法，通過這種方法生產(chǎn)出來的零部件的強(qiáng)度是通過傳統(tǒng)方法生產(chǎn)出來的兩倍。

同樣在 2017 年，位于波士頓附近的 3D 打印初創(chuàng)公司 Markforged 發(fā)布了第一臺價格在 10 萬美元以下的 3D 金屬打印機(jī)。

而另一家位于波士頓地區(qū)的 3D 打印初創(chuàng)公司 Desktop Metal 也在 2017 年 12 月開始交付他們的第一臺 3D 金屬原型打印機(jī)。該公司還計劃推出體積更大的、用于工業(yè)制造的打印機(jī)，它們的速度將會比之前的 3D 金屬打印機(jī)快 100 倍。

3D 金屬打印的操作如今也變得越來越容易。Desktop Metal 公司現(xiàn)在推出了一款用于 3D 金屬打印的軟件。使用者只要在軟件中輸入他們所要打印的物體規(guī)格，軟件就會生成一個適用于 3D 打印的計算機(jī)模型。

GE 公司長期以來一直將 3D 打印技術(shù)用于它的航空產(chǎn)品生產(chǎn)中。早在 2013 年“十大突破性技術(shù)”中就曾提到“增材制造”（Additive Manufacturing）。該公司現(xiàn)在也正在測試一款新型 3D 金屬打印機(jī)，該打印機(jī)打印速度很快，可用于大型零部件的生產(chǎn)。而 GE 計劃在 2018 年開始銷售該 3D 金屬打印機(jī)。

10、零碳天然氣 Zero-carbon natural gas

入選理由：一種針對天然氣發(fā)電廠的新工程學(xué)方法，將二氧化碳回收再利用。

技術(shù)突破：一家發(fā)電廠能夠以廉價高效的方式捕捉天然氣燃燒釋放的碳元素，避免了溫室氣體的排放。

重大意義：天然氣發(fā)電為美國提供了近 32% 的電力，其碳排放量也達(dá)到電力部門總碳排放量的 30%。

主要研究者：8 RiversCapital、Exelon 電力公司、CB&I等。

在可預(yù)見的未來，我們可能要一直將天然氣作為主要的發(fā)電能源之一?，F(xiàn)成又便宜的天然氣發(fā)出的電占美國總發(fā)電量的 30%, 全世界發(fā)電量的 22%。天然氣雖然比煤炭清潔得多，仍造成了大量的碳排放。

中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員陳成猛：中國目前天然氣約占總電力供應(yīng)量的 3%，截止 2020 年預(yù)計將占 6.7%。為使以天然氣和煤炭等為燃料的火電廠更清潔環(huán)保，在現(xiàn)有技術(shù)體系通常是進(jìn)一步增設(shè) CO2 吸附、脫硫脫硝、降灰等環(huán)保裝置來實(shí)現(xiàn)。

然而，這些手段大都是補(bǔ)救性質(zhì)的，會增加發(fā)電成本和能耗，降低經(jīng)濟(jì)效益。Net Power 公司則不然，在天然氣發(fā)電領(lǐng)域，他們選擇了源頭創(chuàng)新，徹底摒棄傳統(tǒng)的以水蒸氣為工質(zhì)的熱能循環(huán)過程，選用全新的以高壓高溫超臨界 CO2 為介質(zhì)的 Allam 循環(huán)過程。這樣就從本質(zhì)上解決了 CO2 排放和 NOx 污染的問題，且回收的 CO2 還變廢為寶，可應(yīng)用于采油或作為化工原材料等利用。

該技術(shù)發(fā)電綜合效率更高，設(shè)施大幅簡化，固定投資少，占地面積小。如果該技術(shù)成熟并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將引領(lǐng)熱力發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)革命，不僅對天然氣發(fā)電意義重大，對煤電領(lǐng)域也有非常重要的參考價值。另外，該技術(shù)的突破還有望改變當(dāng)前全球碳排放和碳交易的格局。

該技術(shù)的工藝方案獨(dú)辟蹊徑，從熱力學(xué)原理上是可行的，但估計存在如下工程技術(shù)難點(diǎn)：一、由于工質(zhì)從水蒸氣變成了 CO2，對裝置的技術(shù)要求變化會很大，許多設(shè)備都需重新設(shè)計開發(fā)，其與工藝的匹配性還需進(jìn)一步的中試和工業(yè)示范驗(yàn)證。二、由于燃燒氣氛從空氣改為純氧，這就需要在前端增加空氣分離裝置，會增加一些固定投資和單位能耗。此外，由此帶來的燃燒速度控制和安全隱患亦不容小覷。