專家解讀青年科學家眼中的十大科技問題

文／項 錚

人類意識的生物基礎是什么？人腦和機器能否直接通訊？人能延緩衰老嗎？……

2021年青年科學家502論壇日前發布的“十大科學技術問題”，由100位“科學探索獎”獲獎者共同選出，內容涵蓋人類意識、人機通訊、量子計算實用化、地外行星居住等學術界和社會共同關心的熱點領域，代表了中國青年科技工作者的前沿科學洞察。那么，科學家是如何解讀這大十科學問題的呢？

問題1 人類的意識、學習和記憶的生物基礎從何而來？

北京大學生命科學學院教授李毓龍：目前的科學研究表明，意識的產生、學習記憶能力的發展主要依賴于大腦。大腦中有數百億神經元，神經元間有復雜的網絡連接，神經網絡以電信號形式編碼客觀世界——形成意識；反過來客觀世界又能重塑網絡的連接方式——發生學習和記憶。

由于大腦超級復雜，電學、光學或化學等單一學科不足以解析大腦的結構和功能，想要進一步理解大腦的工作原理，人類需要研究一系列學科深度交叉的新技術，比如神經網絡空間結構解析技術、大規模神經活動記錄和分析技術、精準的神經操控技術。

問題2 人腦和機器是否能實現直接通信？

北京大學人工智能研究院研究員楊玉超：腦機接口技術是人腦和機器直接通信的橋梁，該技術可直接提取神經信號，分析完成人的行為意向，通過高通量多位點腦信息獲取、在線神經信號解碼、腦機融合智能設備、腦干預技術等關鍵技術干預人腦行為。

目前，腦機接口技術已經實現高速意念打字、機械手快速抓取等，但精準度有待提升。未來腦機接口的發展方向將是精準、小型化、高度集成化、生物兼容性強。通過此項研究，將與類腦計算、人工智能等技術結合實現腦機混合智能。

問題3 通用人工智能是否能實現？

中國科學院計算技術研究所研究員山世光：自計算機誕生后，人類的基礎計算能力和機械記憶能力卻被機器碾壓式超越。最近十年來，深度學習的復興，特別是最近BERT/GPT-3等具備超強語言能力的預訓練大模型的誕生，再次燃起了AI專家心中的理想火焰。賦予算法機器類人的、求解新問題的能力，其挑戰在于：機器如何更高效地獲取經驗數據并從中學習，實現“舉一反三”、小樣本歸納并演繹、“吃一塹長一智”乃至“無師自通”等能力？求解之路仍然迷霧重重，甚至連初見端倪的預訓練大模型是否是正確的起點亦不得而知，AI科學家們只能在迷霧中上下求索。

問題4 如何延緩衰老，促進機體修復，提高人類壽命？

北京大學未來技術學院教授劉穎：1939年，科學家們發現，限制熱量攝入可延長大鼠的壽命，首次證明衰老可以被人為干預。1988年，研究人員發現某一個基因突變可以增加線蟲的壽命，證明了對單一基因的干預能影響和決定生物體的壽命，這些讓科學家增加了找到決定衰老速度和壽命長短的“法寶”。隨后，科學家們又有了新的發現，根據這些發現，一些科學家已經在研發抗衰老藥物。

未來，科學家將整合多條衰老相關遺傳通路，加深對衰老生物學的理解。在尊重生物倫理的基礎上，推進直接靶向衰老通路的臨床試驗。因為這些方向的研究有望延緩甚至逆轉衰老。

問題5 如何實現量子計算實用化？

中國科技大學量子物理與量子信息研究部教授陸朝陽：量子計算是目前人類唯一被嚴格證明具有解決經典計算機無法求解問題的潛力新方法。然而，真正的應用還有諸多挑戰，其中之一就是如何把真實重大應用映射到量子計算系統中。量子模擬和計算的能力隨可操縱的量子比特數呈指數增長，因此如何有效擴展量子比特的規模和高保真的邏輯操作是核心任務。由于量子比特不可避免地會受到環境噪聲的影響而出錯，要最終實現可編程的通用量子計算機，通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求，也是較長時期內面臨的主要挑戰。在量子比特系統的邏輯操縱精度到達可容錯量子計算的要求之前，作為階段性應用，可以構建針對特定問題的專用量子模擬機，則有望揭示凝聚態物理中若干復雜體系的機制。

問題6 清潔能源、環境保護、氣候變化的協同機制如何建立？

清華大學環境學院教授王書：構建能源、環境和氣候變化三者協同的機制，需要圍繞清潔能源技術、節能提效減污降碳技術、能源環境系統集成耦合與優化技術、氣候治理與環境污染協同應對路徑、零碳/負碳能源技術及系統的綜合評價、促進能源轉型的碳市場機制等開展研究。其中，可再生能源發電、儲能技術、多污染物協同減排技術、能源環境綜合評估模型、碳市場機制等最有可能取得突破。

問題7 暗能量和暗物質的本質是什么？

南京大學天文與空間科學學院教授施勇：暗能量是指未知的“斥力”來加速宇宙的膨脹，暗物質是指未知的物質來產生額外的引力，按照目前的觀測推算，這兩者分別約占宇宙總能量的70%和25%，而由質子、中子和電子組成的正常物質只占5%。未來，地面和空間的各類大型科學基礎設施將通過多種手段來探索暗能量和暗物質。暗能量方面，將探究其能量密度是否隨時間變化，以及是否隨宇宙空間變化等現象；暗物質方面，將通過其湮滅或衰變現象、與正常物質的碰撞現象、以及其在宇宙空間的密度分布等方法來探索其本質。多種探測手段的結合和互補是我們真正理解暗物質和暗能量的關鍵。

問題8 人類如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？

中國科學院地球與行星物理重點實驗室主任魏勇：實現宇航員在火星居住一年以上，是對人類航天、能源、通信、電子、醫學、生物科技等各方面科技水平的全面檢驗，由此產生的新的理論突破和發明創造，將顯著改變人們的生活方式，甚至引發新一輪歷史性的科技革命。該項目的規模和復雜程度為人類歷史之最，對管理學等社會科學的發展同樣會產生深遠影響。國際合作是實現這一目標的最優方式，世界科技合作與競爭也有可能圍繞這一問題，產生新局面和新態勢。

問題9 如何“求教”大自然，開發高度集成、智能、可修復的仿生系統？

香港城市大學機械工程系講座教授王鉆開：仿生系統的構建，涉及到方方面面：從材料、制造到組裝，從單元、個體到集群。從理解自然界材料合成、組裝及演變的共性機理，為仿生體系研發提供理論支撐；到構建仿生智能表界面，有效調控仿生系統與外界環境的交互；再到開發規模化綠色制造技術，構建跨尺度、多功能協同的仿生系統；乃至發展高度集成的智能類生命體，人類將一步步向大自然“求教取經”。

問題10 太陽能發電的規模化高效應用如何突破？

北京大學材料科學與工程系特聘研究員周歡萍：目前科學家主要圍繞材料體系、制備工藝、器件結構及工作原理展開工作。從目前的研究來看，在光-電轉換基本過程與新原理；高效、穩定光電轉換材料的理性設計；低成本、高通量的可控制備方法；光電材料與器件中的結構和表界面設計與調控等方向上，最有可能獲得突破。