信息科技领域中的六大颠覆性技术创新

　　随着科学技术的飞速发展和各个领域产业变革的深入开展，各个行业的重大技术突破正在深刻地影响以及重塑整个社会形态、改变人们的生活和工作方式。近年来，信息科技领域作为创新的高发地带，成为全球各个政府、组织、机构创新的竞争高地，是全球研发投入最集中、辐射带动能力最大的领域。

　　以互联网为代表的信息技术革命被称为人类生产力和生产工具的“第三次革命”。相比于前两次革命，互联网的兴起和迅猛发展，给人类带来巨大的信息传输能力和解决问题的工具，它将所有解决问题的计算机终端都连接起来，大大加快了信息的传递、使得社会的各类资源得以快速共享，有效提高了整个社会的生产效率，促进了经济的不断增长。

　　目前，信息科技领域涌现出很多颠覆性的创新技术，包括人工智能、移动互联网、物联网、量子信息、新型半导体、区块链、大数据+等。上述每一种技术都可能引起未来社会的重大变革，为此，本文追踪以上信息科技领域的颠覆性创新技术，给出上述技术的最新研究动态，并分析其对国家和社会将会产生的重大影响。

　　1.人工智能

　　2016年3月，轰动全球的人机大战使人工智能（AI）重新回归大众视野，引起了全球科技公司、政府和投资界的广泛关注。人工智能是通过研究人类智能活动的规律，构造出具有一定智能行为的人工系统，AI的领域众多，以下对AI最热门的两个领域做详细介绍。

　　专家系统是AI研究领域的一个重要分支，它将探讨一般的思维方法转入到运用专门知识求解专门问题上，实现了AI从理论研究向实际应用的重大突破。专家系统的研究和设计也反映出AI最核心的方法论，即在给定条件约束下的“信息-知识-智能”的转换。目前，具有代表性的专家系统是“机器客服”、用于疾病的诊断和治疗的专家系统、用于求解复杂数理难题的专家系统等，该领域是目前AI最活跃且最有成效的研究领域。

　　机器学习是研究如何使用计算机模拟或实现人类的学习活动的技术。深度学习是实现机器学习的一种技术，是利用深度神经网络来解决特征表达的一种学习过程。深度学习的思想来源于人脑的启发，通过大规模数据的训练，从而很好的预测最终结果。

　　AI是基于对人类智能的模拟，构造出具有学习能力的“头脑”系统，将会极大地推动各行各业的智能化进程，也将极大地推动全球经济和社会的智能化和现代化进展。

　　2.移动互联网与物联网

　　移动互联网的迅猛发展得益于移动通信网的发展，但又不仅包括移动通信网，其真正指的是由移动通信网连接而形成的互联网及服务，包括移动通信网、移动终端、基于移动终端的互联网服务三个关键要素。移动互联网的兴起和发展，促进了互联网应用的飞速增长，各类业务与应用层出不穷，也产生了很多行业巨头，如BAT。后续随着5G网络的部署，也将促进各类时延敏感业务的快速发展，如智能电网、物联网、远程医疗、无人驾驶等，为经济增长提供新动能。

　　其中，物联网是信息技术和互联网发展到一定阶段的产物，是新兴的现代信息产业。其产业结构复杂，应用领域多样，其价值创造过程主要表现为促进数据获取简单化、生产过程和管理的自动化，提升客户服务层次，让物体具有智慧，改变人类的生产和生活方式。目前，物联网已成为全球各国发展战略，研究方向主要集中于典型方向和家庭的物联网应用，包括零售、物流、医药、食品、健康、智能家居和交通等领域，主要解决自动化监控、通信、医疗监控与个人护理、供应链管理、产品跟踪等问题。为经济提供新的增长点也促进经济结构转型，使人类生产与生活步入自动化、智能化时代。

　　3.量子计算与量子通信

　　量子信息是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。通过量子系统的各种相干特性，包括量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。而量子计算是新型结构的计算模型之一，量子计算和量子通信是量子力学、计算机科学与信息论等交叉融合的新型学科。

　　要阐明清楚上述概念，还要从量子说起。量子是不可分的最小能量单位。在量子世界中，量子存在一种奇妙的“纠缠”运动状态，根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。而量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式，其利用量子力学的基本原理，保证了量子通信的安全性，解决通信过程中最重要的密钥分发问题。其中光量子通信的BB84协议正是解决密钥分发问题的典型协议，协议流程如下：首先，发送方Alice随机生成四种密钥，如图1所示。接收端Bob随机使用两种测量基，对Alice发送的密钥进行解调，并在之后通过可被窃听的公开信道，告知Alice其每个码元分别采用的解调测量基类别，然后Alice根据这一信息，对比自己的编码方式，就能知道接收端哪些测量基选择正确，哪些选择错误。再然后，Alice通过公开信道告知Bob需要扔掉哪些错误的测量基，留下的即为追中筛选结果，该结果在发送和接收端相同[1]。

　　图1 BB84协议示意图

来源：中国科学院院士郭光灿公开课

　　基于上述协议的通信过程就很简单了，直接用经典信道传送密文，即使被窃听到也不会泄密，因为每次传送的密钥都是不同的，窃听者无法完全得到有效密钥，这保证了通信的绝对保密性。

　　4.半导体与新型半导体

　　半导体材料是大部分电子产品的核心单元所需的材料，其产品包括集成电路、光电子器件、分立器件和传感器，其中规模最大的为集成电路，占半导体市场的81%。集成电路是用半导体材料制成的电路的大型集合，而芯片则是由不同类型的集成电路或单一类型的集成电路形成的产品。

　　日前，中兴被美国制裁事件，使民众对我国具有自主知识产权的芯片研发能力产生巨大担忧，也使得国内各公司企业意识到芯片对于一个企业发展的重要性。芯片特别是高端芯片的核心技术是国家的核心竞争力。

　　而新型半导体材料主要是以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体材料和以石墨烯为代表的碳基材料。新型半导体材料以更大的近代带宽、电子饱和、漂移速度更快等特点，能够制造出具有优异光电性能、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征的半导体器件。因此，吸引了许多国家科研机构和大公司投入。在我国，新材料在《《中国制造2025》重点领域技术路线图》中是十大重点领域之一，其中先进半导体材料和石墨烯材料分别被纳入关键战略材料和前沿新材料两个发展重点，具有广阔发展前景。

　　5.区块链

　　区块链技术兴起并发展于金融、数字货币行业，由于其完全去中心化、零信任特点，引起各个国家、国际组织和公司企业的广泛关注，成为投资和研究的热点。区块链技术是分布式账本、共识机制、智能合约、加密技术等技术的有机结合，由于其天然去中心化特性，引起了金融、数字版权、教育、物联网、数字医疗、社会管理等多个领域的研究热潮，也推动了区块链技术本身的不断迭代。

　　目前，区块链技术已从中本聪提出的区块链1.0-数字货币时代，经由区块链2.0的可编程区块链，演进到了区块链3.0时代。虽然目前业界对区块链3.0到底是什么还存在很多争议，但不可否认的是，区块链巨大的应用潜力将会对未来的社会产生颠覆性的影响。

　　6.大数据+

　　当前，“数据”已经渗透到当今每一个行业和业务职能领域，成为重要的生产因素。而信息与互联网技术的飞速发展让数据量发生不同量级的改变，至此，大数据时代已然到来。借助于人们对大数据的挖掘和运用，带来了新一波生产力增长点。目前借助于其他技术的发展，如深度学习、知识计算、可视化等，大数据分析技术得以迅速发展，已逐渐被应用于不同的行业和领域。典型的有“大数据+AI”、“大数据+行业”、“大数据+区块链”、“大数据+物联网”等。（科普中国网）

　　参考文献：

　　[1] 田绍伟. 量子通信基本原理简介和BB84协议[J]. 信息通信, 2017(6):31-33.

　　作者：范慧芳 橘子科普团队 华为技术有限公司研发工程师

　　审稿人：北京工业大学教授 科普中国特聘专家 于乃功