白春礼院士：世界科技前沿发展态势

2020年12月26日下午，十三届全国人大常委会第二十四次会议在人民大会堂闭幕。闭幕会后，栗战书委员长主持举行了十三届全国人大常委会第二十一讲专题讲座。中国科学院院士、中国科学院原院长、全国人大民族委员会主任委员白春礼作了题为《世界科技前沿发展态势》的讲座。

二、向微观深入：探索物质世界和生命的终极奥秘

从微观结构探究物质世界和生命的本质及运行活动规律，是世界科技前沿的另一个发展方向。从17世纪开始，随着显微镜、光谱分析、X射线、加速器、核磁共振等仪器和方法的出现，让科学家可以探索和解释越来越深层的物质结构和物理规律。原子内部的电子、质子、中子以及多种基本粒子相继被发现。量子力学的发展让科学家可以对基本粒子作出精确的描述。在生命科学方面，1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，对生命体的研究也进入到分子层次。

（一）对微观粒子及其新物态的研究不断深入

在粒子物理学里，标准模型描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力，及组成所有物质的基本粒子，而且能够对实验进行精确预言，并接受实验的精确检验。2013年，科学家依靠大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯粒子，完成了标准粒子模型确认工作的最后一环，由此，标准粒子模型预言的61种基本粒子已经全部被发现。

粒子标准模型取得了巨大成功，是人类认识微观世界的一个重要里程碑，多次诺贝尔物理奖授予了标准模型的相关研究，也推动了天体物理、宇宙学和核物理等学科的重大发展，诞生了新的交叉学科如粒子宇宙学、高能天体物理学等。

中科院科学家利用大亚湾中微子实验装置，发现了一种新的中微子振荡模式，被认为是该领域最重要的突破之一。该项成果获得了国家自然科学一等奖，以及国际“基础物理学突破奖”。近日，中科院微尺度国家研究中心发现了标准模型以外的一种全新的自旋-物质相互作用方式，这是一种与现有标准模型框架下已知的相互作用都不相同的相互作用形式，可以说是标准模型之外的全新物理，为研究暗物质打开了一个全新的窗口。

（二）量子调控成为当前物质科学与信息技术的重要前沿

理论和实验手段的进步，已经可以让科学家能够观察和定位单个原子，且在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子。微观物质结构研究开始从“观测时代”走向“调控时代”，也为能源、材料、信息等产业发展提供新的理论基础和技术手段。2012年，诺贝尔物理学奖就授予了测量和操纵单个量子系统的突破性试验方法。

我国在这一领域具有很强的理论和技术储备，取得了一批重大研究成果。比如，铁基高温超导、多光子纠缠、量子反常霍尔效应等，这3项成果都获得了国家自然科学一等奖。此外，我国科学家在拓扑绝缘体、外尔费米子、马约拉纳束缚态等方面，也取得了具有世界影响的重大成果。

作为量子调控领域最重要的应用方向，量子通信和量子计算是当前的研究热点，国际竞争非常激烈。2018年，欧盟启动了“量子科技旗舰项目计划”，美国正式颁布了“国家量子计划法”，日本也发布了“量子飞跃旗舰计划”。美国白宫又于今年2月发布了《美国量子网络战略构想》、10月发布了《国家量子信息科学战略投入的量子前沿报告》。

我国目前在量子密钥通信方面处于世界前沿地位。2016年，中科院成功发射了世界首颗量子通信科学实验卫星“墨子号”，在国际上首次实现千公里级星地双向量子密钥传送和量子隐形传态，并成功实现洲际量子密钥保密通信，为构建覆盖全球的量子密钥保密通信网络奠定了坚实的基础。中科院牵头建设的“京沪干线”量子密钥通信骨干网，已于2017年正式开通，这是世界上第一条量子密钥通信保密干线，标志着我国已构建出全球首个天地一体化广域量子密钥通信网络雏形。

量子计算也是各国高度关注的战略制高点。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过目前运行能力最强的超级计算机，相比经典计算机实现指数级别的加速，具有重大社会和经济价值，如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等。

2017年，中国科大的研究团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，谷歌宣布开发出了54量子比特的超导量子芯片，对一个电路采样一百万次只需200秒，而当时运算能力最强的经典计算机Summit需要一万年，率先实现了“量子优越性”（指当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时，量子计算机在特定任务上的计算能力就能远超经典计算机）。刚刚发布的消息，中国科大与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心等合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。目前，谷歌、微软、IBM等跨国企业都在这方面投入巨资，可以预见未来围绕量子计算机的国际竞争将更加激烈。

（三）对生物大分子和基因的研究进入精准调控阶段

随着对基因、细胞、组织等的多尺度研究不断深入，以及基因测序、基因编辑、冷冻电镜等新技术的进步，大大提升了生物大分子结构研究的效率，生命科学领域研究正在从“定性观察描述”向“定量检测解析”发展，并逐步走向“预测编程”和“调控再造”。分子生物学、基因组学、合成生物学等领域成果不断涌现，全面提升了人类对生命的认知、调控和改造能力。

基因组学是生命科学最前沿、影响最广的领域之一。人体细胞DNA分子大约有10万个基因，由这些基因控制10万种人体蛋白质的合成。基因工程就是要寻找目的基因，通过对其进行剪切、剔除、连接、重组等操作，实现对生命体的调控。近年来，基因测序成本以超过信息领域摩尔定律的速度下降，2003年全球完成人类基因组测序花了13年、耗资30亿美元，目前只要几百美元、数小时就可完成，这对基因组研究、疾病研究、药物研发、生物育种等具有巨大的推动作用。

基因编辑技术有人将其比喻为“上帝的手术刀”，就是对DNA序列进行精准的“修剪、切断、替换或添加”。自上世纪80年代出现以来，基因编辑技术不断改进和发展，今年获得诺贝尔奖化学奖的CRISPR/Cas9技术，已成为基因编辑最有效、最便捷的工具，广泛应用于生命科学研究和临床研究。

合成生物学被誉为是继DNA双螺旋结构和人类基因组测序之后的“第三次生物学革命”，也被认为是改变世界的颠覆性技术。目前，科学家已经能够设计多种基因控制模块，组装具有更复杂功能的生物系统，甚至创建出“新物种”。比如，利用合成生物学技术，可以培养出用于诊断早期癌症与糖尿病的细菌，合成出抗疟药物青蒿素、抗生素林可霉素等药物，更简单高效地生产生物燃料，很有可能引发相关领域的产业革命。

近期，谷歌DeepMind的AlphaFold算法在国际蛋白质结构预测竞赛（CASP）上击败了所有的参赛选手，在原子水平上精确地基于氨基酸序列预测了蛋白质的3D结构，解决了困扰生物圈50年之久的“蛋白质折叠问题”。传统上基于X射线晶体学、核磁共振、冷冻电镜等实验技术解析蛋白质3D结构需要花费数年时间，而AlphaFold仅需数天时间。这一成果被Nature评价为“可能改变一切”，对更好地理解人类生命形成机制、加快药物发现速度、重大疾病治疗等具有非常重要的意义。

三、科学技术广泛应用和深刻影响到各个方面：推动经济繁荣、造福人类

科技创新作为引领发展的第一动力，已呈现出多点群发突破态势，推动人类活动范围不断扩展，信息传递和交换能力实现质的跃升，生命健康水平持续提升，都达到了前所未有的高度。深刻改变人类的工作方式、生活方式。

（一）信息科技成为经济、社会与生活发生深刻变革的主导力量

信息技术的飞速发展打破了空间限制，人与人、人与物的联系日趋紧密，我们正在进入一个“人—机—物”三元融合的万物互联时代。最近几年，物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链等飞速发展和广泛应用，引起了经济社会各个方面的深刻变革。而且，信息技术的发展速度还在加快，新的技术、颠覆性技术还在持续不断地涌现，持续推动经济社会加速向数字化转型。

一方面，以芯片和元器件、计算能力、通信技术为核心的新一代信息技术正处在一个重要突破关口。硅基芯片和元器件是信息技术发展的基石，其制程工艺不断提高，处理速度越来越快、存储能力越来越强、能耗越来越低。目前已大规模应用的7纳米手机芯片，集成了69亿个晶体管；而5纳米手机芯片可以集成300亿个晶体管，去年已经开始试产；3纳米的芯片也正在研发。图形处理器、现场可编程门阵列、神经网络芯片等也在加速发展。

另一方面，“互联网+”“智能+”使经济活动更加灵活、智慧，不断催生出新业态、新模式，深刻改变人们生活、工作、学习和思维方式。从无人驾驶到智慧交通，从直播带货到智慧物流，从5G通讯到数字货币，从网络扶贫到数字乡村，数字经济加速发展，为经济发展打开新的空间，为产业转型升级提供新的动力。各种智能终端、可穿戴设备不断推陈出新，远程办公、远程教育、远程医疗、无人酒店、无人超市、无人餐厅等飞速发展，推动经济社会全方位数字化转型。据统计，数字经济在发达国家经济中占到60%以上，中国目前占36.2%，对GDP增长的贡献率达到67.7%。

以5G为例，其数据速率是4G的百倍以上，下载一部高清电影只需几秒钟；且数据传输延迟在1毫秒以下，能够支持在一平方公里内连接100万台设备，大约是4G的几十到上百倍。由于这些明显的技术优势，5G可以随时随地实现万物互联，成为数字经济乃至数字社会的“神经系统”，并带来一系列产业创新和巨大经济及战略利益。我国的华为、中兴等企业，在5G方面已摆脱了4G之前的跟跑状态，目前在全球竞争中具有一定优势。

（二）能源、材料、先进制造等领域技术加速进步

全球新一轮能源革命正在兴起，在化石能源清洁高效利用、可再生能源、第四代核能、大规模储能以及动力电池、智慧电网等方面，都取得了一批突破性进展，推动能源技术加速向绿色、低碳、安全、高效、智慧的方向转型。比如，与直接燃烧相比，如果将煤炭转化成油品，不仅会减少对环境的污染，还能大幅度提高煤炭的附加值。2018年，以中科院技术为核心，全球单套规模最大的煤炭液化装置、年产400万吨煤制油工程成功投产，实现煤炭资源清洁高效转化，拓宽我国油品供给渠道，保障能源供应安全，习近平总书记专门致信祝贺。

新材料领域正在向个性化、绿色化、复合化和多功能化的方向发展，金属、陶瓷、高分子和复合材料快速进步；石墨烯、柔性显示材料、仿生材料、超导材料、智能材料、拓扑材料等层出不穷。材料强度与韧性不断强化，抗疲劳、耐高温、耐高压、耐腐蚀等性能进一步提高，为制造业发展和极端环境作业提供了更加可靠的保证。比如，应对航天器与大气层的高速摩擦产生的高温，以及在太空中高真空、极高和极低温度、各种高能带电粒子等极端环境作业，对材料提出很高的要求。再如深海探测领域，中科院金属所为“奋斗者”号球形载人舱研发的高强度、高韧性新型钛合金——Ti62A，在搭载了3名潜航员的大尺寸下，还要承受超过110兆帕的压力，相当于2000头非洲象踩在一个人的背上，难度可想而知。

在先进制造领域，以智能感知、智能控制、自动化柔性化生产为特征的智能工厂大量涌现，3D、4D打印技术快速发展，先进机器人、工业互联网技术广泛应用于制造业，个性化订制、柔性化生产、制造业服务化等，成为新趋势。比如，德国西门子安贝格电子工厂被称为全球最接近工业4.0的工厂，生产过程实现了从产品到制造全价值链的数字化，一条生产线一天可进行350次切换，能生产1000多种不同的产品，且产品的合格率高达99.9989%。

（三）生命健康和医疗卫生水平得到革命性飞跃

有人说21世纪是生命科学的世纪。在Science创刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中，46%属于生命科学领域。精准医学、癌症治疗、干细胞和再生医学、脑科学研究等是目前的前沿热点方向。

生命科学研究新技术新方法加速走向临床应用，推动医学走向“个性化精准诊治”和“关口前移的健康医学”新发展阶段。2015年，美国政府提出“精准医学计划”，目标是“为每个人量身定制医疗保健”，在世界范围内掀起了精准医学的热潮。目前，精准医疗在癌症等重大疾病的预防和治疗方面，取得了多项突破。美国《科学家杂志》评选的2018年10大科技进展中，2项与精准医学有关：一项是中科院的基于自组装的DNA折纸技术，构造出携带凝血酶的纳米机器人系统，在遇到肿瘤特异蛋白时释放出凝血酶，选择性切断血液供应来“饿死”肿瘤；另一项是通过人工智能处理海量数据，可发现医生无法诊断的疾病模式。

干细胞和再生医学为有效治疗心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病、严重烧伤、脊髓损伤等难治愈疾病，提供了新的途径，有望成为继药物治疗、手术治疗后的第三种疾病治疗途径，引发新一轮医学革命。比如，中科院基于干细胞技术制备出引导脊髓组织损伤再生的生物材料，已开展修复脊髓损伤的大动物（狗）实验168例，显示出良好的临床前景，已经开始进入临床。2018年，中科院完成世界上首例脐带间充质干细胞复合胶原支架材料治疗卵巢早衰临床研究，成功让一名卵巢功能衰竭的患者诞下健康婴儿。去年，中国完成首例基因编辑干细胞治疗艾滋病和白血病患者。

脑科学被看作是自然科学研究的“最后疆域”。主要科技大国都高度重视脑科学研究，美国、欧盟、日本等国相继启动了脑科学研究计划，发起成立了国际大脑联盟；我国也将“脑科学”研究纳入到“科技创新2030——重大项目”。目前，科学家已经绘制出全新的人类大脑图谱，是脑科学、认知科学、认知心理学等相关学科取得突破的关键，为发展新一代神经及精神疾病的诊断、治疗技术方法奠定了坚实的基础。人脑重大疾病诊治也取得重要进展，对帕金森、阿尔茨海默症、抑郁症等重大疾病机理研究不断深入，新的治疗手段和药物不断涌现。中科院研发的抗阿尔茨海默症新药“九期一”，已于2019年底正式上市，填补了该领域全球17年无新药上市的空白。

生命健康领域的技术进步也极大提高了传染病的预警、预防、诊断和治疗水平。在此次抗击新冠肺炎疫情中，我国科研人员快速分离鉴定出病毒毒株并与世界卫生组织共享了病毒全基因组序列，为全球科学家开展药物、疫苗、诊断研究提供了重要基础，为打赢疫情科技攻坚战作出了重要贡献。

（四）深海深地探测为新的能源资源开发利用开辟了新途径

在海洋研究与开发方面，关注的重点已从近海走向深海大洋，更加重视海洋资源的保护和开发利用。美国、法国、俄罗斯、日本已拥有6000米级深海载人潜水器；去年，美国的载人深潜器第二次突破10000米深度。我国的“蛟龙号”载人潜器在2012年突破了7000米深度，中科院自主研制全海深自主遥控潜水器“海斗一号”，于今年5月9日至26日，在马里亚纳海沟成功完成4次万米下潜，连续下潜次数居世界前列，最大下潜深度10907米，使我国成为继日、美之后第三个拥有万米级无人潜水器的国家。今年11月10号，中科院作为主要单位参与研制的中国首艘万米级载人潜水器“奋斗者号”下潜深度达到10909米，在马里亚纳海沟成功坐底，再一次刷新了中国载人深潜纪录。

在地球探测方面，围绕科学研究、资源开发利用、防灾减灾等目标，人类活动范围不断向地球深部拓展。人类地下建筑的深度一般到百米量级，如世界上最深的地铁（朝鲜平壤地铁）建在地下200米左右，最深的海底隧道（日本的青函隧道）位于地底240米；核废料的存储深度一般在地下500-1000米的深度；我国在地下2400米建设的锦屏地下实验室，是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室，用岩石屏蔽宇宙射线开展暗物质研究；世界上最深的金矿（南非姆波尼格金矿），深度达到4350米。再往深处走主要就是科学超深井钻探项目，如美国联合多国实施的大洋钻探计划，在各大洋完成过千个钻孔，取芯深度最大超过9500米；2018年我国实施了全球首个钻穿白垩系的科学钻井，钻探及取芯深度达到7018米；目前，世界上最深钻井记录还是前苏联在冷战时期创造的科拉超深钻孔，深度达12262米。总的来说，人类对我们赖以生存的地球了解还十分有限，直接探测深度还未突破地球最外层的地壳（平均厚度约17千米），探测的手段和能力还需不断加强。

以上，我们从宏观、微观和中观三个层面对科技创新前沿做了概括梳理。随着科学技术的前沿不断向深度和广度进军，人类对自然规律的认识不断向宏观和微观两个极限拓展，对人类自身和我们赖以生存发展环境的理解也在不断深化，从而让我们更好地认识自然、理解自然、改造自然，推动人类社会和文明不断向前迈进。