2021年世界科技进展100项（智能、信息、通信领域）

本文系统梳理了2021年在全球范围内取得的100项科技进展，主要分布于“生命、生物、医药健康”“深空、深海、新空间拓展”“物质、材料、化学”“智能、信息、通信”以及“生态能源、交通与建设工程”五大领域。

2021年世界科技进展100项 （智能、信息、通信领域）

• 智能
  • 全球首个“自我复制”的活体机器人诞生
    • 美国科学家发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用其创造了有史以来第一个可进行自我复制多代的活体机器人——Xenobots 3.0。该活体机器人或许可以有助于医学的全新突破——除了有望用于精准的药物递送之外，它的自我复制能力也使得再生医学有了新的帮手，或可为出生缺陷、对抗创伤、癌症与衰老提供开创性的解决思路。此项研究入选2021年世界十大科技进展新闻。
  • 人工智能预测蛋白质结构
    • 世界知名人工智能团队深度思维宣布，已经利用AI智能软件程序——阿尔法折叠预测了人类表达的几乎所有蛋白质的结构，以及其他20种生物几乎完整的蛋白质组。AI预测蛋白质结构将实现广泛应用，提供对基础生物学的见解并揭示潜在的药物靶点。8月，中国研究人员使用AlphaFold2绘制了近200种与DNA结合的蛋白质结构图。11月，德国和美国的研究人员利用AlphaFold2和冷冻电镜绘制了核孔复合物的结构图。现在，科学家正使用AlphaFold2来模拟奥密克戎变体刺突蛋白突变的影响。该研究入选《科学》十大科学突破之一和《自然》十大科学新闻之一。
    • 人工智能预测了两种蛋白质如何形成参与酵母DNA修复的复合体
  • 0.1秒完成气动材料软硬切换筑
    • 新加坡和美国研究团队共同研发了一种轻薄、安全、价格低的“链甲”智能织物。这种面料是空心八面体联结、由 3D 打印而成，通过气压调节，可实现 0.1 秒内柔软和坚硬状态的自由切换。
    • “链甲”智能织物的设计和原型
  • 手术机器人完成全球首例全髋关节置换手术
    • 由中国自主研发制造的TRex-RS手术机器人为一名重度髋关节发育不良的患者实施了全球首例全髋关节置换手术，这标志着中国手术机器人技术在关节外科领域已经达到乃至超越国际一流水平。
    • 手术机器人
  • 软体机器人成功挑战马里亚纳海
    • 受深海生物特性的启发，中国研究团队开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人，他们通过在马里亚纳海沟最深 10900 米处和南海最深 3224 米处进行实际测试，验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。这种深海机器人，是一种典型的仿生装备与系统。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
    • 机器人设计与深海试验
  • 史上首次一军用无人机自主攻击人类
    • 联合国安理会5月的报告称，一架军用无人机在没有接到任何指令的情况下自主对人类发起袭击，这或为历史上首次。此事发生于2020年3月，利比亚政府军与利比亚国民军司令哈夫塔领导的军事势力发生冲突之际，一架土耳其军事科技公司STM生产的“Kargu-2”型无人机在未接到任何指令的情况下，袭击了利比亚哈夫塔尔国民军阵营的撤退士兵。
    • 土耳其军事科技公司STM的“Kargu-2”型无人机
  • 手机天线尺寸缩小100倍，未来有望植入人体
    • 中国科学家突破现有瓶颈，使天线可集成化和微型化，其研发的小型天线由微机电系统（MEMS）和磁电子材料结合构成，从而能通过声学波驱动磁偶极子谐振产生电磁波的辐射。这种天线基于一种声学波和磁子的耦合效应：在压电材料与磁性材料组成的结构中，当压电材料被施加电压时会产生变形，并传递至磁性材料使其变形，产生震荡，并最终完成电磁波的发射，满足信息无线传输的所需。
    • 具有巨大磁电耦合的低频磁电天线
• 量子
  • 有史以来首张量子纠缠的成像照片
    • 英国科学家团队捕捉到了世界上首张量子纠缠的实际图像。这张特殊的照片看起来可能平平无奇，就是两团模糊的灰色块，但其显示了两个光子之间的纠缠。在量子力学领域里，两个相互作用的粒子会以一种极其特殊方式“纠缠”在一起，形成一种纠缠系统，在这个系统里，无论相隔多远，两个粒子都会“瞬间”共享它们的物理状态。此前，量子纠缠已实际应用于量子计算和密码学等领域，但它从未被用图像捕获过，此次研究的成果将推动量子计算新兴领域的发展。
  • 量化波粒二象性
    • 韩国和美国科学家联合通过理论和实验，量化了光子的“波动度”和“粒子度”，并且证明，这两项性质都与光子源的纯度相关。这项成果在量子信息领域大有作用，并且能够让我们重新认识互补性原理。所谓“互补性”，最早是由量子理论先驱尼尔斯·玻尔在20世纪初提出的，这个概念是说，量子物体有时表现得像波，有时表现得像粒子。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
  • 首次实现两宏观振动鼓面的纠缠现象
    • 美国两支科学家团队采用不同方式率先在量子力学层面上实现了两枚此类鼓面的纠缠现象。一只团队使用了一个特别挑选的共振频率消除系统噪声。而美国国家标准与技术研究所的团队实现的纠缠态则类似一个双量子位门。这两支团队为我们打开使用纠缠共振器的大门——我们可以在量子网络中使用这类纠缠共振器，将其作为量子感应器或结点。该成果入选《物理世界》十大突破之一。
    • 美国国家标准与技术研究所科研人员使用的两枚铝鼓面
  • 首款面向图论问题求解的光量子芯片诞生
    • 中国研究团队研发出一款可编程硅基光量子计算芯片，打破了光量子计算机无法编程的质疑，展示了光量子计算的实用化潜力。据悉，该芯片有望快速实现量子计算技术在数据库搜索、图同构问题等场景中的落地应用。
    • 可编程量子行走光量子芯片概念图
  • 攻克室温条件下构建预报量子纠缠难题
    • 中国研究团队首次基于室温原子系综实现独立量子节点之间的预报纠缠。在实验中，该团队通过设计巧妙的解决方案，攻克了在室温原子系综中构建量子节点间的预报量子纠缠的难题，这促进了更加大规模可扩展、更加实用化的量子网络的发展
    • 室温量子网络节点示意图(a) 量子网络概念图 (b) 室温量子节点建立纠缠流程图
  • 世界首个移动量子链路诞生
    • 中国研究团队首次使用光学中继，并将光学中继的节点放到处于飞行状态的小型无人机上，成功实现了纠缠光子分发实验。他们开创性地引入了无人机元素来交换量子信息和构建量子信息网络，从而实现了更远和更广的覆盖范围；同时，还极大便利了多节点移动量子网络的搭建，做到 “即搭即用”、机动灵活；这种移动式的量子网络，还可以作为一种新型量子通讯平台，与已有的地基（光纤）、天基（卫星）量子链路功能互补，构建实用化的量子互联网。
  • 首台高精度量子重力仪
    • 中国科学家在量子重力仪研发上再次取得突破，研制出实用化的高精度铷原子绝对重力仪装备，并成功交付给中国地震局地震研究所。这是中国首台为行业部门研制的量子重力仪，意味着将打破高精度重力仪国外技术垄断的局面，为中国高端量子装备的发展提供新途径，也为行业部门的仪器使用提供了具有我国自主知识产权的新选项，更能够保障核心数据的安全。
    • 华中科技大学研制的量子重力仪正在进行测量
  • 稀土离子实现多模式量子中继及1小时光存储
    • 中国科学家在光量子存储领域取得重要突破，其将相干光存储时间提升至 1 小时，创造了新的世界纪录。这意味着向基于可搬运量子存储的远距离量子通信技术迈出了重要一步。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻。
    • 中科大团队光量子储存方案：a.ZEFOZ 磁场下的能级结构；b. 系统光路示意图
  • 中国团队打破“量子霸权”
    • 中国研究团队基于新一代神威超级计算机的应用“超大规模量子随机电路实时模拟”（SWQSIM），有效模拟了一个深度为10x10 (1+40+1)随机量子电路。与谷歌量子计算机“悬铃木”200秒完成百万0.2%保真度采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，该团队SWQSIM应用则可在304秒以内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，一举打破其所宣称的“量子霸权”。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻之一。
  • “祖冲之号”成功研制并实现可编程的二维量子行走
    • 全球最大量子比特数的超导量子体系诞生在中国。中国科学家成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”。“祖冲之号”可操纵的超导量子比特多达 62 个。此外，该团队实现了对格点间隧穿幅、以及游走构型的精准调控，从而实现了可编程的二维量子行走。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
    • 二维超导量子比特芯片示意图
  • 实现256个量子比特模拟器
    • 美国科学家在实验上将 256 个原子按照设计需要，排列成任意的三维形状，并进行相干操作演示量子模拟，该成果基于他们最近宣布的“有史以来最大的”256 个量子比特模拟器，产生的量子态数量甚至会超过太阳系原子的数量。
    • 该团队开发出一种量子计算机，名字叫可编程量子模拟器。图为研究人员正在调试设备，以便制造可编程光镊（来源：哈佛大学）
  • 全球最快AI超级计算机开动正拼接最大宇宙3D地图
    • 被誉为全球最快的人工智能工作负载超级计算机——Perlmutte宣布开启。这台新超级计算机以拥有6144个英伟达A100张量核心图形处理器，将负责拼接有史以来最大的可见宇宙3D地图。并且，它有望拨开物理学天空的乌云——暗能量。
    • Perlmutte超级计算机以天体物理学家索尔-珀尔马特（Saul Perlmutter）的名字命名
• 芯片
  • 基于光的并行卷积神经网络有望彻底“变革”AI硬件
    • 持续增加的数据量在为 AI 提供源源不断的“动力”的同时，也对用于 AI 的电子计算硬件提出了更多的挑战，无论是在计算速度，还是在功耗方面，都已经成为严重制约 AI 发展的主要瓶颈之一。多国科学家团队开发了一种新的方法和架构，通过使用基于光的处理器或光子处理器，将处理和数据存储结合到单个芯片上。研究结果首次证明，这些设备可以快速并行处理信息，而这种能力是现有电子芯片无法做到的。
    • 新型光子处理器的并行卷积处理示意图
  • 实现全硅基芯片间高速光通信
    • 在提高硅的电致发光亮度与速度以及在商用微电子芯片内部直接实现全硅基光电融合上，美国研究团队取得突破性进展，为微电子芯片光互连、短距高速光通信以及高度集成的光学传感与探测提供了全新的可能性。他们设计了一种微米级大小正向偏置全硅基 LED，在完全集成于 55 纳米制程商用 CMOS 微电子芯片（无任何实验室处理）的基础上实现了低电压、高速高亮的近红外发光，其发光强度和调制解调速度可同时达到此前类似器件实验室记录的十倍以上。
    • 硅基 micro-LED 集成在 55BCDL CMOS 上
  • 中国首款7nm通用GPU
    • 国内首款自主可控的7nm云端通用GPU在上海正式发布。该芯片为上海初创公司天数智芯研发的旗舰7nm GPGPU云端训练芯片BI，其加速卡也一并以实体形式发布，即将进入批量生产和商用交付。BI芯片能以竞品50%的芯片面积、更低的功耗，提供主流厂商产品近2倍的峰值性能。
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