量子革命？腦機(jī)接口？電子皮膚？我看了一次高質(zhì)量科學(xué)大會(huì)

周末刷知乎時(shí)，看到了 ?2020 騰訊科學(xué) WE 大會(huì)的直播觀看邀請(qǐng)，留意了下時(shí)間，發(fā)現(xiàn)空閑。所以觀看了下，全程 2小時(shí) 21 分，8 位不同領(lǐng)域的頂級(jí)研究者分享了自己最新研究成果，十分精彩，這可能是我 2020 年唯一的看了這么長的科學(xué)分享，故整理記錄分享之。

以人為本、科技向善

2020 年發(fā)生了全球范圍內(nèi)的新冠疫情，影響著我們的生活。與此同時(shí)，地球還面臨著各種各樣的問題，比如臺(tái)風(fēng)、干旱，洪澇和環(huán)境惡化等。這些都不斷挑戰(zhàn)著我們賴以生存的地球。

面對(duì)復(fù)雜多樣的挑戰(zhàn)，不管是為了自己還是為了人類的未來，我們都應(yīng)該主動(dòng)的保護(hù)地球，使用科學(xué)的方式降低人和交通對(duì)地球環(huán)境的響應(yīng)。比如使用新的能源實(shí)現(xiàn)零碳排零污染，保護(hù)和節(jié)約水資源，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、不斷改善人類身體的健康、全球范圍內(nèi)監(jiān)測疾病和控制病菌等，從而助于全人類實(shí)現(xiàn)更高的生活品質(zhì)，為人類的未來保駕護(hù)航。通過不斷對(duì)人類交互、食物、能源、水和健康需求的智慧體系建設(shè)，會(huì)為人類這個(gè)物種帶來巨大進(jìn)步，也可以讓人類更長久的居住在這顆藍(lán)色星球上。

新量子革命

分享者：潘建偉教授，量子物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 “墨子號(hào)” 締造者，被稱為 “量子之父”。

信息交互和隱私

從古生物學(xué)講起，在10萬年前存在著兩種人，智人和尼安德特人，后者比智人身體更加強(qiáng)壯，腦容量更大，然而為什么智人最終進(jìn)化出了我們現(xiàn)在的人類呢？因?yàn)橹侨税l(fā)明了基本的符號(hào)和語言，這樣智人就可以有效的進(jìn)行信息交互，可以更好的進(jìn)行社會(huì)化合作，所以智人最終走向了勝利，也因此可以發(fā)現(xiàn)信息的交互至關(guān)重要。

在古代，信息的交互主要是靠著口口相傳，文字和文字載體出現(xiàn)以后呢，可以進(jìn)行千里傳書，互通信息。從古至今，人類信息交互的方式不斷演進(jìn)，但是都是越來越方便快速。

伴隨著信息的交互，隱私性的作用也體現(xiàn)了出來，因?yàn)槟悴恢绖e人的想法，所以古代也出現(xiàn)了春秋戰(zhàn)國的百家爭鳴，古代西方的雅典學(xué)院，都推動(dòng)了人類文明的一大進(jìn)步。

第一次科學(xué)革命

第一次科學(xué)革命牛頓告訴我們所有的力學(xué)都可以統(tǒng)一成一個(gè)簡單的力學(xué)公式，麥克斯韋又告訴我們一切光電磁的現(xiàn)象都可以統(tǒng)一稱為一個(gè)方程組。這一次的科學(xué)革命帶來的科學(xué)技術(shù)極大的推動(dòng)了信息交互的效率的提升，比如出現(xiàn)了蒸汽機(jī)，空間位置不再是問題，電力的發(fā)現(xiàn)讓地球變成了地球村，遠(yuǎn)距離信息交互前所未有的方便，也因此推動(dòng)了人類文明走上了一個(gè)新的臺(tái)階。

計(jì)算能力和隱私保護(hù)

在科學(xué)革命之后，信息交互效率的提升，已經(jīng)并將一直伴隨著人類的進(jìn)化、社會(huì)的發(fā)展。1943年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)重量一噸，計(jì)算能力 5000次/秒。2010年一部智能手機(jī)的計(jì)算能力的已經(jīng)超過當(dāng)年阿波羅登月計(jì)劃計(jì)算能力的總和。在這期間每一次計(jì)算能力的提升都帶來信息交互效率的提升，改變著社會(huì)和生活方式。作為這個(gè)數(shù)字化時(shí)代的我們體會(huì)應(yīng)該更加明顯。

計(jì)算能力

然而目前人類的計(jì)算能力怎么樣呢？當(dāng)今全球所有的計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力都加在一起，一年都沒法完成對(duì)2的90次方的窮舉搜索。而且傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)發(fā)展模式已經(jīng)受到嚴(yán)重制約。摩爾定律正在逐漸的逼近極限。未來10年晶體管的大小可能會(huì)達(dá)到亞納米尺寸，這時(shí)晶體管的電路原理將導(dǎo)致計(jì)算力沒有可以提升的空間。

隱私性問題

目前計(jì)算機(jī)的加密方式依賴于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，隨著計(jì)算能力提升，原理上都會(huì)被破解，甚至有人說人類以人類自身的才智，根本造不出無法破解的密碼，交互信息安全的問題也隨之出現(xiàn)。

如何解決目前遇到的計(jì)算能力和隱私性問題呢？答案是量子力學(xué)！

量子力學(xué)

量子的概念：它是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，能量的最基本攜帶者，具有不可分割特性。

量子疊加態(tài)：經(jīng)典物理學(xué)上只有 0 和 1，是和否兩種狀態(tài)；量子力學(xué)則有 0 或 1 或者 0&1的疊加狀態(tài)。

量子糾纏：愛因斯坦描述為：遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。也就是說可以有兩顆量子，不在一起卻有互相感知的能力。目前已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，確實(shí)會(huì)存在遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。

量子信息科學(xué)：喝一杯水很容易，但是拿出一個(gè)水分子很難，現(xiàn)在的科學(xué)家可以把單獨(dú)的一個(gè)量子光子拿出來，并進(jìn)行主觀的操控，由此誕生了量子信息科學(xué)。

量子通信：原理上無條件安全的通信方式。同時(shí)有強(qiáng)大的計(jì)算能力。

量子密鑰分發(fā)：原理上無條件安全的通信方式，在分發(fā)密鑰時(shí)先送一系列處于各種各樣狀態(tài)的單光子。因?yàn)楣庾硬豢煞指?，所以光子信息不?huì)被竊??；同時(shí)因?yàn)楣庾拥臓顟B(tài)在測量時(shí)會(huì)有擾動(dòng)，會(huì)破壞它的疊加態(tài)，所以也不用擔(dān)心會(huì)被測量監(jiān)聽。這樣就可以實(shí)現(xiàn)加密內(nèi)容不可破譯的安全的量子通信。

量子隱形傳態(tài)：利用量子糾纏可以將量子信息傳送到另一個(gè)地點(diǎn)，而不用傳送信息的載體本身。

量子計(jì)算：驚人的計(jì)算速度，經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能相比。

300位大數(shù)分解：萬億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要15萬年，萬億次量子計(jì)算機(jī)只需1秒。

求解億億億變量線性方程：億億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要100年，萬億次量子計(jì)算機(jī)只需0.01秒。

腦機(jī)接口

分享者：Miguel Nicolelis，腦機(jī)接口權(quán)威專家，神經(jīng)科學(xué)家，杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授。

同時(shí)也是2014年巴西世界杯的“機(jī)械戰(zhàn)甲”之父。Nicolelis 是腦機(jī)接口研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，他用腦電操控機(jī)器這一想法在醫(yī)學(xué)上有很大的意義，可以幫助失去運(yùn)動(dòng)能力的癱瘓患者重新行走。他還發(fā)現(xiàn)了一系列重要的可支配哺乳動(dòng)物大腦環(huán)路的生理學(xué)原理，可作為重度截癱、帕金森病和癲癇患者潛在的新治療手段。

下面是他分享的過去20年的腦機(jī)接口發(fā)展歷程。

最初設(shè)想

通過一個(gè)設(shè)備收集被試驗(yàn)者的腦電波信號(hào)，然后把設(shè)備收到的腦信號(hào)（如控制手臂）傳輸?shù)讲慌c之相連接的另一臺(tái)機(jī)器上，另一臺(tái)機(jī)器的做出同樣的操作?？梢院唵蔚睦斫鉃橹挥么竽X讓機(jī)器做出你想做的事情，僅靠想象完成一系列操作。

實(shí)驗(yàn)一：視覺

階段一：

讓一只猴子用手操作面前控制桿，控制桿連接到電腦游戲，控制桿可以控制電腦中的光點(diǎn)游戲（把操作的光點(diǎn)移動(dòng)到白色圓圈內(nèi)）。成功操作一次就給一滴果汁作為獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)通過猴子頭部上方的機(jī)器記錄猴子操作時(shí)發(fā)出的腦電波信號(hào)。

階段二：

還是同一個(gè)游戲，但是撤去猴子面前的操作桿，直接通過腦電波信號(hào)轉(zhuǎn)換成想要的操作去控制游戲中的光點(diǎn)，結(jié)果是猴子僅用想象，什么都沒有操作，依舊可以成功的操作屏幕中的光點(diǎn)游戲。腦電監(jiān)測裝置成功的捕捉并分析出了猴子的想法。

實(shí)驗(yàn)二：觸覺

觸覺游戲，猴子控制兩個(gè)虛擬手指去觸摸幾個(gè)看不到的物體，同時(shí)把觸摸感受反饋直接傳送給猴子大腦，其中有物體表面是粗糙的，在猴子選擇出粗糙的物體時(shí)，給果汁作為獎(jiǎng)勵(lì)，發(fā)現(xiàn)猴子總是可以不通過觸碰選擇出粗糙的物體表面。說明回傳給猴子大腦的信號(hào)是有效的。

實(shí)驗(yàn)三：動(dòng)作

簡單描述一下，讓猴子坐在一個(gè)小車上，這個(gè)小車通過信號(hào)控制，信號(hào)來源于猴子頭上的腦電信號(hào)收集器，在指定位置放上一串葡萄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)猴子可以通過腦海里的想象操控小車移動(dòng)到葡萄位置。

實(shí)驗(yàn)四：人體

尋找了 8位癱瘓多年的實(shí)驗(yàn)者，為他們定做機(jī)械外肢。這些機(jī)械外肢通過收集到的腦電信號(hào)進(jìn)行控制，通過半年的訓(xùn)練后，最終患者可以通過想象自由的控制機(jī)械外肢進(jìn)行自由移動(dòng)。

在 2014 年的巴西世界杯開幕上，成功讓一位通過訓(xùn)練的癱瘓患者控制自己的機(jī)械外肢射進(jìn)一球作為，通過大腳趾上的傳感器，這名患者不僅踢球了球，更感受到了球碰到腳趾的感覺。

后續(xù)，這 8 位癱瘓患者通過這次的控制機(jī)械外肢的訓(xùn)練，持續(xù)追蹤了28個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)大部分的患者的癱瘓程度都有大幅度減輕，有些甚至可以只借助支撐裝置進(jìn)行行走，其中有一位竟然不借助裝置可以自由行走，這在醫(yī)學(xué)上讓人驚訝。

人造皮膚

分享者：鮑哲南，著名化學(xué)家，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任。

目前世界上有很多不同程度的身體殘疾人，他們使用假肢生活，沒有任何感覺，撫摸著自己的嬰兒沒有觸覺，做飯時(shí)被燙傷沒有溫度感覺，摸到物體時(shí)不能辨認(rèn)形狀，這些可以通過給假肢添加人造皮膚改變。

人造皮膚的幾個(gè)難點(diǎn)。

1. 需要可以覆蓋，不會(huì)碎裂，柔軟不剛硬的材料。像皮膚一樣可以拉伸、可以自我修復(fù)甚至可以生物降解。

2. 可以感知溫度、壓力和物體。

   溫度感知可以通過熱脹冷縮性來實(shí)現(xiàn)。然后得到溫度信號(hào)。

   壓力感知讓你用不能的力度去觸摸物體，而不會(huì)破壞掉。比如拿一個(gè)雞蛋，捏一個(gè)氣球。通過類似金字塔的無數(shù)感知器被擠壓時(shí)得到壓力信號(hào)。

   物體感知是因?yàn)槟愕钠つw在碰到物體時(shí)會(huì)變形，你就可以感知到它的形狀，讓你閉著眼睛也可以知道這是一個(gè)蘋果還是一個(gè)橘子。

3. 人造皮膚的信號(hào)可以傳輸給大腦，可以被大腦認(rèn)同，這樣才能感同身受。

最后