深度学习诸多热门技术崛起 量子物理实现稳定安全通信

2020-02-26 16:57:40

2020年全球十大突破性技术公布:数字货币等在列

今天,《麻省理工科技评论》一年一度的“十大突破性技术”(TR10)榜单如期而至。

自2001年起,《麻省理工科技评论》每年都会评选出当年的“十大突破性技术”,这份在全球科技领域举足轻重的榜单曾精准预测了脑机接口、智能手表、癌症基因疗法、深度学习等诸多热门技术的崛起。当然,与其说是“预测”,不如说是《麻省理工科技评论》站在全球科技最前沿,目睹了科技创新的百年变迁后的一种沉淀,是对科研迈向产业的可行性分析,是对技术商业化及影响力的研判。

和往年一样,这份充满未来感的榜单尝试在每一年的年初定义接下来最值得关注的10个技术方向,但编辑部每年都在尝试为这份极具影响力的年度策划创造更多新鲜感。例如,在去年,我们就请到比尔 · 盖茨(Bill Gates)先生作为客座评选人,全程参与评选工作。

那么今年,站在新十年和旧十年的接力点,《麻省理工科技评论》这份榜单又会出现怎样的惊喜?

回望2013年的十大突破性技术榜单,由于人工智能的加速发展,我们将 “深度学习” 列入了当年的突破性技术,并准确给出了3-5年的爆发期。

2010年,我们提名了带有3D 全息显示的手机、可以将空气中的二氧化碳直接转化为柴油的微生物、可以在人体里降解的电子植入物,以及“社交电视” (现在它叫 Twitter) 。

2009年,在苹果收购 Siri 之前,我们就将它列为了突破性技术。当时 Siri 宣称,它将不仅仅是一个语音激活的搜索引擎,而且是一个可以为用户预订餐厅或航班的搜索引擎。

图 | 《麻省理工科技评论》主编 Gideon Lichfield

说实话,如果我们真的能精准预测哪些新技术会取得成功,我们不会将其公开,而是会建立基金去投资它们。这是风险投资家每天都在做的事情,而且成功者寥寥无几。但是,作为一个未来学家,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。

所以在2020年(大家都喜欢整数年份),我们决定,扩充今年的年度十大突破性技术排行榜内容。我们将近距离关注这些科学技术,并收集了一些其他人对2030年的预测。

例如,摩尔定律是现代最可靠的预测,但是它已经相当久远了,我们的同事 David Rotman 就对摩尔定律进行了研究。他提出这样一个预测:摩尔定律即将失效。他好奇的是这将对未来的进步有何影响;独立记者 Rob Arthur 研究了2016年美国总统大选预测表现糟糕的原因,并预测了2020年总统大选;媒体人 Brian Bergstein 关心研究人员在开发能够理解因果关系的 AI 方面的进展;Bobbie Johnson 则询问了一些未来学家对未来的看法以及他们对2030年的预期。

图 | 2020年《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术榜单包括:防黑互联网、超个性化药物、数字货币、抗衰老药物、人工智能发现分子、超级星座卫星、量子优越性、微型人工智能、差分隐私、气候变化归因共10大突破性技术。

以下是榜单详细内容解读:

防黑互联网

重大意义:互联网越来越容易受到黑客攻击,而量子网络将无法被黑客攻击。

主要研究者:代尔夫特理工大学、量子互联网联盟、中国科学技术大学

成熟期:5年

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,科学家们已经学会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公里的骨干网络,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公里 (0.93英里) 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2020年代末建成一个全球量子网络。

超个性化药物

重大意义:针对个体量身定制的基因药物为身患绝症的人带来一线希望。

主要研究者:A-T Children’s Project、波士顿儿童医院、Ionis Pharmaceuticals、美国食品和药品监督管理局

成熟期:现在

我们先来设想这样一个绝望的病例:一名儿童身患一种极其罕见的致死性疾病。这种病不仅没有有效药物,而且连尝试研究它的科学家都找不到。

最后医生只能一声叹息,“病症实在太过罕见,随他去吧。”

归功于可以根据个体基因量身定制的全新药物,这种情况可能会发生改变。如果因为某种特定 DNA 缺陷导致了极为罕见的疾病(目前有数千种这样的情况),那么至少有一个争取修复基因的机会。

小女孩米拉 · 马科维茨(Mila Makovec)就是一个真实病例。她因为一种独特的基因突变而饱受病痛摧残,随后医生用一年的时间为她量身定做了针对其基因缺陷的药物,并命名为“Milasen”,取自她的名字。相关研究成果于2019年10月发表在《新英格兰医学杂志》上。

虽然该治疗手段尚未完全治愈米拉,但似乎已经稳定了她的病情:癫痫发作减少,还可以在协助下站立和行走。

针对米拉的治疗之所以成为可能,是因为开发一种全新的基因药物从未如此之快,也从未有过更好的机会。新型药物可能会采用基因替代、基因编辑或反义核酸等形式,米拉所接受的治疗就采用了反义核酸,类似于用一种分子擦除剂消除或修复错误的遗传信息。这些治疗手段的共同点在于,它们能够以数字化的方式和速度编程,以纠正和补偿遗传性疾病,或者替代 DNA 字母。

和米拉处于类似境遇的人还有多少呢?目前还不是很多,但一定会越来越多。

好消息是,曾经让研究人员束手无策的挑战有望出现转机,他们寄希望依靠 DNA 找到解决方案。

不过,对于这类针对单一患者的 “多对一” 治疗方案来说,真正的挑战是它几乎与现行的所有新药的研发、测试和销售规则背道而驰。当这些药物只帮助了一个人,却需要投入多个大型团队来设计和制造时,谁来为它们买单呢?

数字货币

重大意义:随着实体货币使用频率的下降,没有中介的交易自由也随之减少。与此同时,数字货币技术可以用来分裂全球的金融体系。

主要研究者:中国人民银行、Facebook

成熟期:2020年

2019年6月,Facebook 推出了一款名为 “Libra” 的“全球数字货币”。此举立刻遭到强烈抵制,“Libra”可能永远不会被启动,至少不会像最初设想的那样启动。

但它仍然产生了影响:在 Facebook 宣布这一消息后的几天内,中国人民银行的一位官员暗示,将会加速自身数字货币的开发。如今,中国有望成为世界上第一个发布其货币数字版本的经济体,以替代实体货币。

中国显然考虑到了 Libra 的潜在冲击:它可能加强美国在全球金融体系中不成比例的权力,而这种权力源于美元作为全球事实上的储备货币的角色。有部分人推测中国将会在国际上推行其数字货币。

现在,Facebook 的 “Libra” 宣传已颇具政治意味。2019年10月,Facebook 的 CEO 马克 · 扎克伯格(Mark Zuckerberg)向美国国会承诺,Libra“将扩大美国的金融领导地位,以及美国在世界范围内的民主价值观影响和监督能力”。数字货币的战争已经打响。

抗衰老药物

重大意义:诸如癌症、心脏病和失智症等许多不同疾病或许都可以通过延缓衰老来治疗。

主要研究者:联合生物技术公司、Alkahest、梅奥诊所、Oisín Biotechnologies

成熟期:五年之内

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,预计将在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,2019年12月,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。

人工智能发现分子

重大意义:一种新药的商业化平均花费约25亿美元,原因之一是很难找到有希望成为药物的分子。

主要研究者: Insilico Medicine、Kebotix、Atomwise、多伦多大学、BenevolentAI

成熟期:3-5年

可能被转化为潜在救命药物的分子数量令人难以想象:研究人员估计这个数字约有 1060种,这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。

超级星座卫星

重大意义:这些系统可以让高速互联网覆盖全球,也可以让地球的卫星轨道变成一个充满垃圾的雷区。

主要研究者:SpaceX、OneWeb、亚马逊、Telesat

成熟期:现在

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1,240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。

量子优越性  

重大意义:量子计算机将能够解决经典机器不能解决的问题。

主要研究者:谷歌、IBM、微软、Rigetti、D-Wave、IonQ、Zapata Computing,Quantum Circuits

成熟期:5-10年以上

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。

除此之外呢?能够破解当今密码学的量子计算机将需要数百万个量子位,实现这一目标可能还需要几十年的时间。但是创建一个可以模拟分子的量子计算机模型应该相对容易。

微型人工智能

重大意义:得益于最新的人工智能技术驱动,我们的设备不需要与云端交互就能实现很多智能化操作。

主要研究者:谷歌、IBM、苹果、亚马逊

成熟期:现在

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。

这些技术进步正在惠及广大消费者。去年5月,谷歌宣布可以在用户手机上运行谷歌助手,而无需向远程服务器发送请求;从苹果的 iOS 13操作系统开始,iPhone 上可本地运行 Siri 的语音识别功能和 QuickType 键盘;IBM 以及亚马逊现在也提供了开发平台来制作和部署微型人工智能。

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,打击那些不法监视系统或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。

差分隐私

重大意义:美国人口普查局的数据保密难度越来越大。不过,一种被称为差分隐私的技术可以解决这个问题,这种技术可以建立信任机制,并能供其他国家使用。

主要研究者:美国人口普查局、苹果、Facebook

成熟期:它在美国2020年人口普查中的应用将是迄今为止规模最大的应用。

2020年,美国政府将要完成一项重大任务:3.3亿美国居民的人口普查,同时还要对他们的身份数据进行保密。政策制定者和学者在进行立法或者研究时需要对这些数据进行分析,同时相关法律规定,人口普查局必须确保这些数据无法被用以 “定位” 到任何个人。

但目前依然有一些手段可以使个人数据“去匿名化”,尤其是在普查数据与其他公共统计数据整合在一起的情况下。

因此,人口普查局在数据中加入了一种“噪声”。它可能会更改一部分人的年龄或人种信息,但它同时能保持每个年龄或种族群体的总数不变。加入的噪声越多,对数据进行去匿名化就越困难。

差分隐私是一种数学技术,它能够在给数据添加噪声的同时,一直计算隐私提升的程度,从而使得增加 “噪音” 的过程变得更加严谨。苹果和 Facebook 已经使用这种方法来收集聚合数据,而不需要识别特定的用户。

但是过多的噪声又会使数据变得无用。一项分析显示,2010年人口普查的一个差分隐私版数据中包含了据称有90人的家庭。

如果顺利,其他联邦机构可能也会使用这种方法。加拿大和英国等国也在关注该技术。

气候变化归因

重大意义:它使人们更加清楚地认识到气候变化是如何让天气恶化的,以及我们需要为此做出哪些准备工作。

主要研究者:世界气候归因组织、荷兰皇家气象研究所、红十字会与红新月气候研究中心

成熟期:现在

去年9月,在热带风暴“伊梅尔达”(Imelda)袭击美国休斯顿地区十天后,一个快速反应研究团队就宣布,几乎可以肯定,气候变化在风暴的产生中扮演了一定角色。

世界气候归因组织(World Weather Attribution)团队进行了高精度的计算机模拟,对比了世界在气候变化已发生和未发生的情况下会有何不同。结果显示,在前者(我们所生活的世界)中,严重风暴发生的可能性是后者(未发生)的2.6倍,风暴的强度也高了28%。

在本世纪初,科学家们曾不愿将任何具体事件与气候变化联系起来。但在过去的几年里,科学家们进行了更多的极端天气归因研究,快速改进的相关工具与技术也使得该领域的研究成果更加可靠、更有说服力。

首先,越来越多的详细卫星数据记录帮助我们了解自然系统。此外,计算能力的提高意味着科学家可以进行更高精度的仿真,并开展更多的虚拟实验。

再加上其他一系列的技术进步,科学家们得到了一个在统计学意义上越来越可信的结论:全球气候变暖通常会加剧危险天气事件的发生。

通过把气候变化的影响从其他因素剥离出来,这些研究告诉我们要为怎样的风险做好应对准备,比如随着全球气候变暖的加剧,预计会有多少洪灾发生,热浪又会变得有多严重。如果我们选择倾听,他们可以帮助我们了解,为了应对气候已发生变化的世界,我们的城市和基础设施需要进行怎样的改造。

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