开拓新疆域抢占战略制高点的七大颠覆性技术

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：请您在文末对本文进行评论，评论被点赞最多的两位读者将各获得一本《工程科技颠覆性技术发展展望》

在近日由中国工程院、中央军委科学技术委员会和中国工程物理研究院联合主办的“工程科技颠覆性技术论坛”上，《工程科技颠覆性技术发展展望》蓝皮书首次发布。书中系统梳理出我国面向年的六大战略需求，并围绕战略需求发布了39项重大颠覆性技术方向。

年，中国工程院依托中国工程科技创新战略研究院设立“工程科技颠覆性技术战略研究”重大咨询项目，由中国工程院原副院长杜祥琬院士负责，组织70多位两院院士和来自工程科技各领域的数百名专家参与。该项目系统研究了颠覆性技术的概念内涵，把握当前颠覆性技术发展态势和我国的战略需求，识别遴选出当前优先发展的重大颠覆性技术方向。基于项目研究成果，项目组近日编制发布了《工程科技颠覆性技术发展展望》蓝皮书。

本文节选其中第三章第一节《开拓新疆域，抢占战略制高点的七大颠覆性技术》，以飨读者。

本文获授权发布

一、量子信息技术（一）技术说明

量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技，建构于颠覆性的堪比相对论的基础理论—量子物理之上，主要包括量子通信、量子计算、量子探测等领域。量子信息技术在确保信息安全、提高运算速度和探测精度等方面具有颠覆性的影响，是目前最引人瞩目的前沿技术领域之一。

（二）研发状态和技术成熟度

1.量子保密通信

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、也是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引领了国际水平。

2.量子极速计算

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个不同的路径。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。

3.量子精密传感

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，进而达到海森堡极限。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。

（三）产业和社会影响分析

量子信息会动摇和改变微电子技术在现行信息技术体系中的基础性地位，对架构其上的计算机、通信、软件等产业将产生革命性的影响。因而对整个信息技术体系的变革是架构层和根本性的，并且具有无可估量的发展空间。基于量子传感技术可以实现对光、磁场、重力和角速度等诸多物理量的高精度传感测量，在科学研究和国防与经济建设等众多领域都具有广泛的应用前景。正如相对论造就了核动力与核武器，量子信息技术造就的量子计算机、量子通信、量子雷达等，势必在未来重新涂抹战争的面孔。

（四）我国实际发展状况

我国在量子信息领域的研究起步较早，基本能做到与国际同步，并且在某些方面能够领先国际水平，但各个方向发展不平衡。

我国在量子技术方面有很好的科研积淀，在量子密钥分发的实用化方面已跻身世界前列，处于全球领先水平。在量子模拟方面近来也能与国际水平同步，特别是光学系统的量子模拟、NMR系统和冷原子光晶格系统中的工作。在金刚石色心的量子传感研究中也处于领先水平。

然而，在量子计算和量子精密测量方面我们与国际最高水平之间有不小的差距，这两方面都需要长期的资金支持，需要有一个积累的过程。这些年，国内这两方面的研究水平也在迅速提高，已开展离子阱系统、约瑟夫森结系统、金刚石色心和量子点系统的量子计算研究。离子阱、金刚石色心和超冷原子中的精密测量工作也正在开展。

（五）技术研发障碍及难点

1.量子保密通信

量子隐形传态技术尚不成熟，是量子信息领域理论研究和实验探索的前沿热点。基于量子密钥分发的保密通信近年来在技术研究和试点应用等方面发展迅速，但应用推广和产业发展仍然存在瓶颈和局限。量子存储和量子中继技术目前仍处研究探索阶段。

2.量子极速计算

量子计算技术发展整体处于基础理论验证和原理样机研发阶段，距离真正实用化的通用量子计算机仍有一定距离。寻找阈值更高、更便于实现、更高效的量子编码仍然是未来一段时间内量子计算理论中的重要问题，特别是针对特定的实验系统的编码。目前在固态系统中实现可控的马约拉纳零模交换仍然难以满足，需要发展新的实验技术

3.量子精密传感

基于量子传感技术可以实现对光、磁场、重力和角速度等诸多物理量的高精度传感测量，有望应用于科学研究和国防与经济建设等众多领域，目前在技术上仍需解决工程化和实用化等问题。

（六）发展所需的环境、条件与具体实施措施

发展量子信息技术是抢占国际竞争制高点的战略选择，应从国家战略需求出发前瞻布局、集中力量、加大投入，着重解决量子信息技术发展中的关键技术问题，提升核心竞争力，做好颠覆性创新的重要推手。

1）优化资源、完善布局，从国家层面制定和实施量子信息战略。从国家网络安全与信息化的角度，将量子信息技术作为国家必须优先发展的战略目标，制定国家战略作为总体规划来指引、协调各方行动，加强在量子信息重点方向的科研布局，聚焦重点任务有效配置资源，开展集智攻关，以实现重大突破。

2）建立产、学、研技术合作与转化机制，加速量子信息产业化。围绕量子信息技术开展重大任务的同时，设立高层次指导委员会，探索跨部门、跨领域的创新协作机制，破除机构制度藩篱，协调政府部门、科研机构、产业机构，建立产、学、研技术合作与转化机制，鼓励中小型企业积极参与技术研发，特别是研制纠缠光子源、单光子探测器等多种量子应用所需要的关键器件，为量子信息技术产业提供创新活力。

3）培养和吸引优秀人才，建立世界一流的量子信息人才队伍和创新团队。科技强国都很重视量子信息技术人才的培养和竞争，目前我国在量子通信方面拥有以潘建伟团队为代表的世界一流团队，但在量子计算、量子传感等方面还缺乏足够优秀的人才，特别是国际一流的领军人才，因此需要多方面壮大我国量子信息所需的人才队伍。按照创新规律培养和吸引人才，按照市场规律推动人才有序流动、共享人才资源，实现人尽其才、才尽其用、用有所成，营造促进人才发展的良好环境和机制。

（七）技术发展历程、阶段及产业化规模的预测

1.走向大规模应用的量子保密通信

近年来，量子通信得到各国高度重视，成为未来制高点。多家大型跨国企业均投入大量资本，推动量子通信技术的研发。中国量子通信技术走在世界前列，已经从实验室演示走向产业化和实用化。其中最有代表性的就是量子通信卫星“墨子号”和量子通信加密光纤链路“京沪干线”。

据预测，预计5年内可突破量子中继器核心技术，实现点对点安全量子通信；5～10年实现远距离量子网络和量子信用卡；实现有加密和窃听检测功能的量子中继器，融合量子通信与经典通信保卫互联网安全需要10年以上时间。

2.进入研发关键期的量子计算

近年来，欧美等发达国家政府和科技产业巨头大力支持量子计算技术研究，取得一系列重要成果并建立领先优势，我国也开始重视并加强量子计算领域的科研投入。

据预测，有误码检测保护或拓扑性保护的逻辑量子比特位操作和量子计算机新算法可于近5年出现；与小量子处理器的执行技术相关的量子计算算法，用大于物理量子比特的，有特定用途量子计算机解决化学和材料科学难题预计要5～10年；实现集成量子电路和低温经典控制硬件，通用量子计算机超过传统计算机的计算能力需要10年以上。

3.进入商用阶段的量子传感

以量子陀螺仪、量子雷达、量子重力仪和量子磁强计等为代表的新型量子传感器，在国防建设和军事应用领域极具战略价值，受到世界各国政府和研究机构的重视，在解决工程化和实用化等问题后，有望在关系国家安全和国计民生的重点领域率先应用。

据预测，健康监测、地质调查、安防设备中的重力和磁传感器等小应用程序中的量子传感器，针对高频金融交易中进行时间戳操作的更加精准的原子钟有望在5年内看到；针对汽车、建筑工程等更大量应用的量子传感器和量子导航手持设备在5～10年内可能会面世；基于引力传感器的重力成像设备，将量子传感器集成到移动客户端应用中的技术估计要10年以上达成。

二、人工智能技术（一）技术说明

人工智能技术可以分为基础设施层、技术研发层和应用层。

基础层主要包括计算硬件（AI芯片）、计算系统技术（云计算、大数据和5G通信）和数据（数据采集、标注和分析）。

技术层面，我们可以从三个维度来理解：算法理论（机器学习算法、类脑算法）、开发平台（基础开源框架、技术开放平台）和应用技术（计算机视觉、自然语言理解和人机交互）。

在人工智能的应用上，可以是系统层面，比如电子商务、智能城市、智能医疗、智能交通、智能物流、智能制造、智能电网、智能社区、智能经济、数字图书馆；可以是产品层面的，如无人机、无人车、机器人、智能手机、智能游戏、穿戴式设备、AR/VR等。

（二）研发状态和技术成熟度

1.基础支撑层

国际IT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/FPGA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、寒武纪以及西井科技等，但在产业布局能力和研发实力方面还不可与这些巨头匹敌。

2.技术驱动层

算法和计算力成主要驱动力，开源化是趋势

技术层是人工智能发展的核心，对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AI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和机器学习建模，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。

3.场景应用层

AI与场景深度融合，领域应用更加广泛应用层主要是基于基础层与技术层实现与传统产业的融合，实现不同场景的应用。随着人工智能在语音、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。应用层按照对象不同，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，场景应用主要是对接各类外部行业的AI应用场景。

（三）产业和社会影响分析

1.推动产业转型和变革

智能化是当前推动各国产业升级转型的引擎。近年来，我国制造业面临劳动力和原材料成本上升的双重压力，传统层面的人力以及成本优势逐渐消失，产业转型迫在眉睫。人工智能技术有助于提高我国现有产业的运营效率和竞争力，同时创造出更多提高我国现有产业的运营效率和竞争力，同时创造出更多提高社会运行效率并吸收大量就业人口的新业态，促进实现产业变革。

2.打造未来国防军事的“撒手锏”

在国防军事领域，人工智能技术正被用于打造作战机器人、智能战斗机、杀伤性无人机、大数据情报、网络攻防武器等“撒手锏”，这将导致新型作战力量的产生。美俄等军事强国都把人工智能视为改变游戏规则的颠覆性技术。其中，美国明确把人工智能和自主化作为第三次抵消战略的两大技术支柱，而俄罗斯把发展人工智能列为装备现代化的有限领域。

3.掀起科研创新模式新革命

近年来，科学研究模式在各种新兴技术的支持下发生了巨大变化，人工智能将进一步掀起科研模式的新革命。在机器学习算法的帮助下，科学家利用以往不成功的实验数据预测了新材料的合成方法，其效率超过了经验丰富的科学家。IBM公司正在与多家癌症研究机构合作，利用其Waston认知计算平台加速癌症研究与药物开发。量子物理学家借人工智能技术更好地完成了量子力学实验设计，取得了人类科学家难以实现的实验效果。

4.多方面颠覆生活方式

目前，人工智能对人类社会在劳动就业、医疗健康、家居生活、交通运输、教育培训、伦理道德、艺术文化等众多方面的影响已开始显现，并可能进一步深刻改变社会结构、法律制度、思想观念等。Google等公司研发的自动驾驶技术有望将因人为错误引起的致命事故减少94%；北京市政府借助人工智能技术帮助缓解空气污染问题；美国佐治亚理工学院推出的人工智能助教改变教学模式、提升了教学效果；Google公司的人工智能系统已开始音乐和绘画创作。

（四）我国实际发展状况及趋势

当前，国内的人工智能在基础设施层面主要依赖国际IT巨头，国内初创公司很难进入市场。基础层主要以硬件为核心，其中包括GPU/FPGA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。

国内企业陆续推出应用层面的产品和服务，比如小i机器人、智齿客服等智能客服，“出门问问”、“度秘”等虚拟助手，工业机器人和服务型机器人也层出不穷，应用层产品和服务正逐步落地。长虹、美的、格力等都在向智能制造转型，试图立足“SmartHome”，将人工智能和智慧家庭更紧密地结合在一起。

国内的人工智能技术平台在应用层面主要聚焦于计算机视觉、语音识别和语言技术处理领域，国内技术层公司发展势头也随之迅猛，其中的代表性的企业包括科大讯飞、格灵深瞳、捷通华声（灵云）、地平线、SenseTime、永洪科技、旷视科技、云知声等。

中国人工智能应用将在服务机器人领域迎来突破。服务机器人基于日常生活中的广泛需求，有着广阔的市场空间。根据前瞻产业研究院发布的《～年中国服务机器人行业发展前景与投资战略规划分析报告》，到年，个人/家用服务机器人销售额达24.1亿美元。

（五）技术研发障碍及难点

1.数据流通和协同化感知有待提升

基础设施层的仿人体五感的各类传感器缺乏高集成度、统一感知协调的中控系统，对于各个传感器获得的多源数据无法进行一体化的采集、加工和分析。未来突破点将发生在软件集成环节和类脑芯片环节。一方面软件集成作为人工智能的核心，算法的发展将决定着计算性能的提升。另一方面，针对人工智能算法设计类脑化的芯片将成为重要突破点。

2.强人工智能尚未实现关键技术突破

在技术研发层，目前取得的进度依然属于初级阶段，对于更高层次的人工意识、情绪感知环节还没有明显的突破。未来突破点将发生在脑科学研究领域。要对真正的分析理解能力进一步地研发，从大脑的进化演进、全身协调控制等领域实现。

3.智能硬件平台易用性和自主化存在差距

应用层的智能硬件平台，服务机器人的智能水平、感知系统和对不同环境的适应能力受制于人工智能初级发展水平，短期内难以有接近人的推理学习和分析能力，难以具备接近人的判断力。

（六）发展所需的环境、条件与具体实施措施

营造开放的市场环境，鼓励中小企业开展科技创新。人工智能颠覆性技术创新的主力是企业，特别是正在创业的中、小企业。中小企业规模小，灵活方便；专业化程度高，开展技术创新快捷省时，效率较高；管理层次少，凝聚力强，富于合作精神；对产品技术创新的需求更高，创新的意识更强，在人工智能领域具有潜在优势。随着科学技术的发展，产品的竞争越来越多地表现为技术创新的竞争，特别是颠覆性技术创新的竞争。谁拥有颠覆性技术创新的成果，谁就占有了市场的绝对优势，而市场的开放程度，往往决定这种竞争能否带来何种创新的效果。因此，只有做到市场的充分开放，才能催生颠覆性技术创新。

（七）技术发展历程、阶段及产业化规模的预测

全球对人工智能的