2.3 前沿热点技术

2.3.1 人工智能加速赋能高质量发展

人工智能处于第四次科技革命的核心地位，在该领域的竞争意味着未来综合国力的较量。中国在人工智能领域具有稳定的产业和市场发展环境、充足的人力资源、丰富的应用场景等优势。

1.人工智能芯片发展迅速、产品丰富

2019年，中国人工智能芯片取得了显著进展，市场规模持续扩大，规模已超过50亿元^[1]。从技术路线来看，中国人工智能芯片的研发主要以定制芯片（如ASIC）为主。除了传统互联网企业，还有一批人工智能初创公司加入芯片的研发与制造，如寒武纪、平头哥、思必驰、云知声等。一年来，以阿里巴巴的含光800、百度的昆仑、华为的昇腾910等为代表的一批具有国际先进水平的人工智能芯片相继推出。

2.人工智能算法体系百家争鸣

国内科技巨头和人工智能企业相继推出人工智能算法平台及其配套工具体系，如旷视的brain++、百度的飞桨、商汤的“人工智能算法开放体系”等，实现了从数据的获取、处理，到算法设计、训练、调参模型效果评估和产生模型，再到模型分发和部署应用，最后到实际应用的全覆盖，为研发人员提供一站式的解决方案。其中，旷视的brain++以视觉图像处理为核心，通过对稠密数据进行优化，在移动终端具有极高的计算效率；百度的飞桨通过支撑知识增强型视觉-语言预训练模型ERNIE-ViL，在通用语言理解评估测试（General Language Understanding Evaluatio，GLUE）、视觉常识推理（Visual Commonsense Reasoning，VCR）上获得全球领先的成绩；商汤的“人工智能算法开放体系”源于其自主研发的人工智能OpenMMLab，涉及10个以上研究方向，开放100种以上算法和600种预训练模型。

3.人工智能技术实力稳步增强

一年来，中国人工智能技术得到了快速发展，相关学科建设、理论建模、技术创新、软硬件升级等整体推进，在全球的竞争力也得到了显著提升。2019年，中国人工智能专利申请数量首次超越美国，成为世界第一，专利申请数量高达11万项。2019年主要国家的人工智能专利申请数量如图2-1所示。

4.“AI+”深度融合传统领域

伴随着人工智能技术的升级和应用，社会生活产生了深刻变革，传统的金融、安防、教育、制造等领域开始使用人工智能技术进行数字化转型。据统计，中国人工智能企业近8成集中在应用层，其中AI行业解决方案占比高达40.7%。一年来，在人工智能技术升级方面，有AI+金融领域的芯盾反欺诈系统、AIOps智能运维大数据；AI+安防领域的澎思智慧社区、闪马智能非机动违章治理；AI+教育领域的GodEye课堂质量监测、松鼠AI学习平台；AI+工业领域的ManuVision工业视觉平台、ModelArts一站式AI开发平台；AI+零售领域的美团大脑；AI+交通领域的菜鸟路径规划；AI+文娱领域的互动视频技术、问题路由推荐系统等。

2.3.2 量子信息技术持续推进

2019年，中国以中国科学技术大学、清华大学、北京大学、浙江大学、中国科学院等高校和科研院所为代表，在量子计算机的硬件研发方面取得了一系列突破性进展。国内的高科技公司如华为、阿里巴巴、百度等，也在2019年推出各自的研究计划和最新成果，成为量子信息领域发展的重要力量，促进该领域的产业化发展。

1.量子计算软硬件研究取得新进展

中国在基础算法的研究、实验物理体系的搭建、量子软件的开发等领域都有布局，以各大科研机构为主，取得了一些具有国际先进水平的研究成果，量子计算云平台发展态势良好。但从整体来看，量子计算机开发研究还处于追赶状态，主要研究成果局限在实验室，距离实用化还有一定的距离。

中国的量子计算机硬件研究布局涵盖超导系统、光学体系、离子阱系统，核磁共振等领域均都有代表性工作成果。

（1）在光学体系中，2019年7月，中国科学技术大学与中国科学院物理研究所合作，在集成了24个量子比特的超导量子处理器上，利用20个比特实现了特定量子动力学过程的模拟。2019年8月，浙江大学和中国科学院成功实现了18个量子比特的GHZ纠缠态和20个量子比特的薛定谔态制备，刷新了固态量子器件中纠缠态的量子比特数目的世界纪录。2019年12月，中国科学技术大学实现了20光子的玻色取样实验，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间。2020年6月，中国科学技术大学在光晶格中首次实现1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与量子模拟奠定基础。

（2）在离子阱系统中，清华大学交叉信息研究院金奇奂研究组实现4个量子比特的全局纠缠逻辑门。

（3）在核磁共振系统中，南方科技大学的研究团队实现了12个量子比特的产生和检测量子伪随机性实验。

除了量子计算硬件，国内相关企业在量子模拟、云服务平台、量子编程语言开发方面也有一定的成果。2019年，华为完成昆仑量子计算模拟一体机原型，采用HiQ编程架构，能够实现全振幅模拟40个量子比特和最大144个量子比特。合肥本源量子计算科技有限责任公司（简称本源量子）在2019年9月发布了量子计算机应用软件ChemiQ，可用于模拟计算化学分子能量；同年12月又发布分布式含噪量子虚拟机，把它部署在分布式服务器上以提升模拟比特的数量。阿里巴巴达摩院量子实验室在2019年9月完成可控量子比特软件的研发。2019年12月，中国科学院软件研究所发布了国内首个量子程序设计平台isQ。2020年5月，百度发布国内首个量子机器学习开发工具“量桨”（Paddle Quantum），该工具可用于支持量子神经网络的搭建与训练。

2.量子通信建设持续发力

中国在量子通信领域的创新与应用发展迅速，从发射世界首颗量子通信卫星“墨子号”，到开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，再到实验量子密钥分发距离的不断增加。量子纠缠距离不断取得突破，为量子网络的搭建打好坚实基础。根据量子信道传输内容的差异，量子通信可以分为量子密钥分发（QKD）和量子安全直接通信（QSDC），由此发展出多种量子通信协议。2020年6月，中国科学技术大学的研究团队利用“墨子号”量子通信卫星，在国际上首次实现千千米级的量子密钥分发，将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高一个数量级。2019年11月，清华大学的研究团队在量子中继网络领域取得重要进展，实现了远距离量子纠缠态的分发与存储。2019年12月，首个可移动量子卫星地面站在济南与“墨子号”量子通信卫星对接成功。2020年6月，中国科学技术大学首次实现室温下通信波段碳化硅色心的自旋操控。

2.3.3 生物计算与存储

生物计算主要指利用生物分子的结构与功能特性，实现分子水平的计算过程，包括利用生物的遗传物质DNA分子及DNA纳米技术开展的DNA分子计算研究、利用生物功能蛋白质分子进行的蛋白质计算研究、模拟生物细胞和细胞膜结构与功能的细胞计算与膜计算算法研究等。这些全新的计算模式不仅拓展了理论计算机研究的范畴，还给信息安全与信息存储领域的研究带来了新的挑战与机遇。

1.DNA计算创新不断

DNA计算指利用DNA分子特性、碱基互补配对原则，以及DNA分子所特有的双螺旋结构进行计算。研究者已探索了多种DNA神经网络模型、DNA链置换网络、生物型探针机等新型计算模型。

2020年1月，中国科学院上海高等研究院光源科学中心物理生物学研究室、中国科学院上海应用物理研究所和上海交通大学合作开发了一种基于DNA链置换反应的开关电路来实现数字运算。与常用的逻辑门电路相比，该开关电路结构精简，可以用最少的DNA序列实现高信噪比和快速计算的分子电路，并完成了至今最为快速的4位平方根运算。

在用于图像信息处理的生物计算机研究中，北京大学的研究团队提出了非枚举、并行以及大规模DNA计算模型，并给出了相应的实现方法，特别是利用并行DNA计算模型，求解出了61个顶点的全部3-着色解，是迄今规模最大的生物计算实验。

2.DNA存储高密度大存量潜力初显

DNA存储是基于DNA分子的信息编码存储技术。随着纳米技术、生物技术的发展，利用DNA分子进行大规模信息存储的实验研究已经取得了一些令人瞩目的进展。2020年8月，中国科学院的研究团队研发出了世界上首个基于天然生物蛋白的硬盘存储器——蚕丝硬盘。该存储器可以在一平方英寸的面积上存储64GB的数据，如果将其折算成传统的半导体存储器，那么一个3.5英寸的蚕丝蛋白存储器的容量超过0.5TB。

在生物存储信息安全方面，南京大学的研究团队设计了一个对称加密系统DNASC。在DNASC中，加密钥和解密钥是DNA探针，密文是特殊设计的DNA芯片。该系统的安全性主要基于生物学困难问题而不是传统的计算问题，因此对未来量子计算机的攻击具有“免疫”功能。加密过程就是制作经特殊设计的DNA芯片、微阵列，解密过程就是进行芯片杂交。在DNASC中，数以万亿计的DNA探针被方便地同时进行杂交并识别出来，这在一定程度上体现了DNA在超大规模并行计算和超高容量数据存储方面的巨大潜力。

3.生物计算应用

基于DNA计算原理设计的可编程自组装智能纳米系统，在生物相容性方面表现较好，可以在细胞内工作，具有快速、敏感和特异性高的优点，其纳米结构的控制精度达到原子级。在网络安全领域，基于DNA计算的加密是建立在生化反应的特殊条件、检测困难或特殊结构等基础上的，再结合传统加密算法计算复杂性，因此DNA加密信息更加安全可靠。DNA纳米技术的迅猛发展将为基于DNA的分子计算及其在网络安全和存储领域的应用带来颠覆性变化。

2.3.4 脑机接口探索新型交互模式

随着脑成像技术的进步、对大脑认识的加深、信号处理技术和计算技术的飞速发展，脑机接口逐渐从概念走向原型机设计，相关的技术路线和应用领域得到极大扩展。

1.硬件技术取得重要进展

脑机接口的硬件主要包括电极和信号采集设备，提高这些设备的精度并兼顾舒适感、便携性是当前的主要发展目标。一年来，中国学者开发了多种基于新材料的信号采集设备。例如，清华大学的研究团队开发出了无须注射凝胶的结合海绵架构和自锁式银纳米线的柔性电极，中国科学院的研究团队设计出了基于石墨烯表面具有基质微锥塔的脑电干电极、多层柔性印制电路的非接触式电极。这些新型非侵入式电极在绕过毛发、贴合皮肤弯曲方面取得重要突破，极大地提升了脑信号获取的质量。

在侵入式脑信号采集硬件方面，2019年，上海交通大学的研究团队利用激光辅助拉制法制备银纳米线柔性电极，能有效提升所获信号的稳定性。该团队还开发了带有激光二极管耦合波导的三维光极电极阵列，能够避免光纤缠绕和组织发热，在降低使用者不舒适感的同时，也能获得高分辨率的神经信号。

2.脑机接口多种技术路线并立

脑机接口多种技术路线并立，各个技术路线在迭代优化中逐渐向实用化推进。国内脑机接口研究主要聚焦于稳态视觉诱发电位（VEP）、P300、运动想象以及混合脑机接口等。

稳态视觉诱发电位的原理是，通过探测因特定视觉刺激而在大脑部分区域引起电位变化的信息来反演视觉内容。2019年，清华大学的研究团队提出利用运动起始时刻的VEP，经过拓扑映射（Retinotopic Mapping）后，仅需单个刺激就可以实现对4个目标编解码^[3]。北京航空航天大学的研究团队开发了通过正弦形式调节刺激，以获取径向缩放运动下VEP信号模式的方法，该方法获得了较高的识别准确率^[4]。

P300是一类特殊的事件相关电位（ERP），在脑电图中对应于约300ms等待时间的电压偏转。2019年，国防科学技术大学的研究团队提出了一种通过触觉刺激诱发事件相关电位的脑机接口，发现该事件相关电位具有与视觉P300相类似的特征。长春理工大学的研究团队研发了一种基于快乐表情和声音的视/听觉P300脑机接口打字系统，发现基于自我面部视觉刺激的P300脑机接口能够显著提高性能。

运动想象的理论基础是，人类想象自身肢体（或肌肉）运动但没有实际运动输出时特定脑区仍会激活。2019年，上海交通大学的研究团队提出了结合运动任务和触觉刺激的感觉运动节律脑机接口，能够增强与运动相关的皮层激活机制以及增加相应脑模式的可区分性，有望在脑卒中患者的康复中得到实际应用。天津大学的研究团队提出了一种基于运动想象和稳态体感诱发电位的混合脑机接口范式，以提高运动想象识别的空间分辨率。

3.脑电信号分析算法发展迅速

（1）在脑电信号特征提取方面，更广泛的特征提取策略和特征滤波算法有效地提升特征提取的性能。2019年，华东理工大学的研究团队提出了一种基于运动想象相关性的导联选择（Correlation-based Channel Selection，CCS）方法来选择包含更多相关信息的特征^[5]，有助于进一步提高分类精度。2020年，清华大学的研究团队提出了结合最大相位锁定指数的空域滤波器和最小距离空域滤波器的算法，分别从相位和幅度优化空域滤波器，以提高稳态视觉诱发电位脑机接口的性能。

（2）在脑电信号分类算法方面，结合了人工智能技术的脑电信号分类算法催生了大量创新成果，通过深度学习方法可大幅度提高分类精度。2019年，华东理工大学的研究团队引入了一种基于稀疏贝叶斯极限学习机算法，自动控制模型的复杂性并控制多余的机器学习隐藏层。南开大学的研究团队提出了一种结合深度学习和数据增强算法，以提高运动想象信号的分类精度并避免过拟合。结合了深度学习的方法具有卓越的性能、鲁棒性和可移植能力，正成为热门研究方向。

（3）在脑机信号迁移学习方面，应用迁移学习算法有望解决新用户面临的长时间校准问题。2020年，华中科技大学的研究团队提出了分别在欧氏空间、黎曼流形对齐不同受试者脑电信号的知识迁移方法，使得脑电信号更为规整，提升了迁移学习性能，有望成为脑机接口的一项通用预处理步骤。上海大学的研究团队提出了基于迁移学习对运动想象脑电数据进行分类的算法，该算法可以有效地应用于跨领域和跨受试者的运动想象脑电数据分类。

4.脑机接口应用领域不断拓展

在医学领域应用方面，脑机接口可作为严重运动障碍患者（如肌萎缩侧索硬化症患者）的辅助通信和控制方法。2019年，国内脑机接口研究在运动控制方面进展较大。中国医学科学院、上海交通大学、天津大学等科研院所和高校研发了结合稳态视觉诱发电位、运动想象以及计算机视觉等技术的机械臂与机械手控制系统，在相关临床研究中获得了很好的效果。

在非医学领域应用方面，脑机接口可作为一种新型的人机交互方法应用在娱乐和游戏等行业。2019年，国防科学技术大学的研究团队利用基于运动想象和稳态视觉诱发电位的混合脑机接口，实现了对经典游戏《俄罗斯方块》的控制。该研究团队还基于视觉P300脑机接口和增强现实眼镜开发了动态用户界面，以实现对环境的控制。中国科学院半导体研究所的研究团队利用编码调制的视觉诱发电位，开发了一套个体身份识别系统。