作者：MIT Technology Review，编译：《升华洞察》冯升华
2020年将有哪些技术发生突破？《升华洞察》编译了MIT的一篇文章《2020年的10种突破性技术》。
一、无法入侵的互联网
基于量子物理学的互联网将很快实现固有的安全通信。代尔夫特理工大学的斯蒂芬妮·韦纳（Stephanie Wehner）领导的一个团队正在建立一个完全通过量子技术连接荷兰四个城市的网络，通过该网络发送的消息将无法破解。
在过去的几年中，科学家们学会了通过在其中绝对保护编码的信息的方式，跨光缆传输光子对。中国的一个团队使用一种技术形式在北京和上海之间构建了2,000公里的网络主干网，但是该项目部分依赖于经典组件，这些组件会在建立新的链接之前定期断开量子链接，从而增加了被黑客入侵的风险。
相反，代尔夫特网络将是第一个使用量子技术从头到尾在城市之间传输信息的网络。该技术依赖于称为纠缠的原子粒子的量子行为,纠缠的光子在不破坏其内容的情况下无法秘密读取。
但是纠缠的粒子很难产生，并且更难以远距离传输。Wehner的团队已经证明可以发送1.5公里（0.93英里）以上的距离，他们相信，他们可以在今年年底之前在Delft和海牙之间建立量子联系。确保更远距离的不间断连接将需要量子中继器来扩展网络。
这样的中继器目前正在代尔夫特和其他地方设计。Wehner说，第一个绝对安全量子网络应该在未来的五到六年内完成，并在十年内建立一个全球量子网络。
二、超个性化医学
这是对一个无望的医疗案例的定义：一个患有极为罕见致命疾病的孩子，不仅没有治疗，甚至连实验服的人都没有。他只是说："太难受了。"
图：朱莉娅·杜佛斯（JULIADUFOSSÉ）
这种情况就要发生改变了，这要归功于可以针对一个人的基因量身定制的新型药物。如果某种特殊的DNA错误导致了极为罕见的疾病（有数千种可能的例子），那么现在至少有一个争取基因修复的机会。
一个这样的案例就是米拉·马科维茨（Mila Makovec），她是一个因独特的基因突变而遭受毁灭性疾病的小女孩，科学家为她制造了一种药品。在医生从对她的遗传错误的读出，经过仅仅一年的治疗后，她的病情于10月发表在了《新英格兰医学杂志》。他们称这个药物为米拉森。
治疗没有治愈米拉。但这似乎使她的病情稳定了：减轻了癫痫发作，并且她开始在站立和帮助下行走。
Mila的治疗之所以成为可能，是因为创造基因药物从未如此之快。新药可能采取基因替代，基因编辑或反编译（米拉所接受的类型）的形式，这种形式的分子橡皮擦可消除或修复错误的遗传信息。这些治疗的共同点在于，它们可以以数字方式且以数字速度编程，以纠正或补偿遗传性疾病，即DNA字母序列。
有多少个像Mila的故事？到目前为止，只有极少数，但是还会有更多。研究人员曾经看到瓶颈并且只能说"对不起"，现在他们看到了DNA中的解决方案，并认为可能会有所帮助。
" n-of-1"疗法（指获得药物的人数）的真正挑战在于，它们几乎无视每个公认的关于如何开发，测试和销售药物的观念。当这些药物帮助一个人，但仍然需要庞大的团队进行设计和制造时，谁来支付这些药物的费用？
如果DNA像软件一样，我们可以修改代码吗？为了争夺女儿的生命，一位Google程序员进入了超个性化药物的世界。
三、电子货币
数字货币的兴起对金融隐私产生了巨大影响。去年六月，Facebook推出了一种名为天秤座Libra的全球数字货币。这个想法引起了强烈的反响，天秤座Libra可能永远不会启动，至少不会像最初设想的那样启动。但这仍然有所作为：在Facebook宣布这一消息后几天，中国人民银行的一位官员暗示，它将相应地加快自己数字货币的开发。现在，中国有望成为第一个发行其货币数字化版本的主要经济体，以替代有形现金。
中国领导人显然认为，天秤座Libra本来将以美元为主要储备的储备金构成威胁，这是威胁：它可能会加强美国在全球金融体系中的不成比例的力量，这源于美元作为世界事实上的储备货币的作用。一些人甚至怀疑中国打算在国际上推广其数字人民币。
现在，Facebook的天秤座宣传已成为地缘政治。十月份，首席执行官马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）向国会承诺，天秤座"将扩大美国的金融领导地位以及我们在世界范围内的民主价值观和监督"。数字货币战争已经开始。
四、抗衰老药
通过靶向体内自然衰老过程来尝试治疗疾病的药物已显示出希望。新型抗衰老药物的第一波已经开始人体测试。这些药物不会让您长寿，而是旨在通过减缓或逆转基本的衰老过程来治疗特定疾病。
这些药物被称为senolytics-它们通过去除随着年龄增长而积累的某些细胞而起作用。它们被称为"衰老"细胞，可以产生低水平的炎症反应，抑制正常的细胞修复机制，并为邻近细胞创造有毒的环境。
去年6月，总部位于旧金山的Unity Biotechnology报告了对轻度至重度膝盖骨关节炎患者的初步结果。预计将在2020年下半年获得更大临床试验的结果。该公司还在开发类似药物，以治疗与年龄有关的眼、肺疾病等。
Senolytics以及许多其他有 针对性的方法正在人类测试中，这些方法针对的是衰老和各种疾病的根源所在的生物过程。
一家名为Alkahest的公司向患者注入年轻人血液中发现的成分，并表示希望阻止患有轻度至中度阿尔茨海默氏病的患者的认知和功能下降。该公司还提供用于人体测试的帕金森氏症和痴呆症药物。
去年12月，德雷克塞尔大学医学院的研究人员甚至试图查看一种含有免疫抑制药物雷帕霉素的面霜是否可以减缓人体皮肤的衰老。
这些测试反映出研究人员正在不断努力，以了解与衰老相关的许多疾病（例如心脏病，关节炎，癌症和痴呆症）是否可以通过黑客手段来延迟其发作。
五、用AI发现的药物分子
科学家已经使用AI来发现有前途的类药物化合物。可以转化为可能挽救生命的药物的分子世界令人难以置信：研究人员估计其数量约为10^60（作为对比，科学家计算过宇宙中原子的总数，大概是10∧80个原子）。这比太阳系中的所有原子还多，提供了几乎无限的化学可能性—想象一下，如果我们只靠化学家去寻找有价值的药物分子。
现在，机器学习工具可以利用信息来探索现有分子及其性质的大型数据库，从而产生新的可能性。这样可以更快、更便宜地发现新的候选药物。
去年9月，香港Insilico Medicine和多伦多大学的一组研究人员采取了令人信服的步骤，通过合成AI算法找到的几种候选药物，证明该策略有效。
使用类似于深度学习和生成模型的技术，类似于允许计算机在围棋游戏中击败世界冠军的技术，研究人员确定了大约30,000种具有理想特性的新颖分子。他们选择了六个进行综合和测试。其中一项特别活跃，在动物实验中证明很有希望。
从事药物发现的化学家经常幻想着新分子，这是一种经过多年经验磨练的艺术，并且保持在敏锐的直觉中（最好的猎人）。现在，这些科学家有了新的工具来扩大他们的想象力。
六、超级卫星星座
现在，我们可以负担得起地在轨道上建造、发射和运行成千上万颗卫星。可以将宽带连接传送到互联网终端的卫星，只要这些终端机能看清天空，就可以将Internet传送到附近的任何设备。自从人造卫星发射以来，仅十年之内，SpaceX就希望向地球发送的卫星比人类已经发射的卫星多4.5倍。
图：朱莉娅·杜佛斯（JULIADUFOSSÉ）
这些巨型星座是可行的，因为我们已经学会了如何制造更小的卫星并以更低的价格发射它们。在航天飞机时代，将卫星发射到太空的成本约为每磅24,800美元。一颗重达四吨的小型通信卫星需要花费近2亿美元才能飞起来。
今天，SpaceX公司的Starlink卫星重约500磅（227千克）。可重复使用的架构和廉价的制造意味着我们可以将其中数十种捆绑在火箭上，以大大降低成本；今天发射的SpaceX公司Falcon 9价格约为每磅1,240美元。
去年，首颗120颗Starlink卫星上升了，该公司计划从2020年1月开始每两周发射60颗卫星。OneWeb将于今年晚些时候发射30颗卫星。我们很快就会看到成千上万颗卫星协同工作，甚至为地球上最贫穷和最偏远的人口提供互联网访问。
但这只有在事情解决了的情况下。一些研究人员之所以生气，是因为他们担心这些物体会破坏天文学的研究。更糟糕的是发生碰撞的可能性，这种碰撞可能会加剧成千上万块空间碎片的灾难，使卫星服务和未来的太空探索几乎不可能。去年9月份，星联公司（Starlink）的一枚ESA气象卫星险些失踪，这在震撼人心，提醒我们，世界为应对如此多的轨道交通而准备不足。在这十年中，这些巨型星座所发生的一切将决定轨道空间的未来。
七、量子霸权
Google提供了量子计算机优于传统计算机的第一个清晰证据。昆腾计算机以完全不同于以往的方式存储和处理数据。从理论上讲，它们可以解决某些类型的问题，即使是想象中最强大的经典超级计算机也需要数千年才能解决，例如破解当今的密码或模拟分子的精确行为，以帮助发现新的药物和材料。
量子计算机已经运行了几年，但只有在某些条件下它们才能胜过经典计算机。谷歌在去年10月宣称了这种"量子霸权"的首次证明。一台具有53个量子比特（量子计算的基本单位）的计算机在三分钟的时间内完成了一次计算，根据Google的估算，这将使世界上最大的超级计算机花费10,000年，或15亿倍的时间。IBM质疑Google的说法，称加速最多不过是一千倍。即便如此，这仍然是一个里程碑，而且每增加一个量子位将使计算机的速度提高一倍。
但是，Google的演示严格来说只是概念的证明，等同于在计算器上进行随机求和并显示答案是正确的。现在的目标是制造具有足够量子位的计算机来解决有用的问题。这是一个艰巨的挑战：您拥有的量子比特越多，保持其微妙的量子态就越困难。Google的工程师认为，他们使用的方法可以使它们达到100到1,000量子比特之间，这可能足以完成有用的工作，但是没人能确定到底是什么。
除此之外呢？可以破解当今加密技术的机器将需要数百万个量子位。可能需要数十年才能到达那里。但是可以模拟分子的模型应该更容易构建。
八、微型AI
现在，我们可以在手机上运行强大的AI算法。人工智能存在一个问题：为了寻求构建更强大的算法，研究人员正在使用越来越多的数据和计算能力，并且依赖于集中式云服务。这不仅产生令人震惊的碳排放量，而且限制了AI应用程序的速度和隐私。
但是，小型AI的反趋势正在改变这一现状。科技巨头和学术研究人员正在研究新算法，以在不丧失其功能的情况下缩小现有的深度学习模型。同时，新一代的专用AI芯片有望将更多的计算能力整合到更狭窄的物理空间中，并以更少的能量训练和运行AI。
朱莉娅·杜佛斯（JULIADUFOSSÉ）
这些进步才刚刚开始对消费者可用。去年5月，Google宣布它现在可以在用户的手机上运行Google Assistant，而无需向远程服务器发送请求。从iOS 13开始，Apple在iPhone上本地运行Siri的语音识别功能及其QuickType键盘。IBM和亚马逊现在还提供了用于制作和部署微型AI的开发人员平台。
所有这些都会带来很多好处。现有服务（例如语音助手，自动更正和数码相机）将变得越来越快，而无需每次需要访问深度学习模型时都进行云计算。微型AI也将使新的应用成为可能，例如基于移动的医学图像分析或具有更快反应时间的自动驾驶汽车。最后，本地化的AI更好地保护了隐私，因为您的数据不再需要离开设备来改善服务或功能。
但是，随着AI利益的分布，其所有挑战也将随之而来。例如，与监视系统或深度造假视频打交道可能会变得更加困难，歧视性算法也会激增。研究人员，工程师和政策制定者现在需要共同努力，对这些潜在危害进行技术和政策检查。
九、差分隐私
差分隐私一种衡量关键数据集隐私的技术。2020年，美国政府的一项重要任务是：收集该国3.3亿居民的数据，同时保持其身份保密。数据发布在统计表中，决策者和学者在编写法律或进行研究时会对其进行分析。根据法律，人口普查局必须确保它不会针对任何个人。
但是，有一些技巧可以使个人"取消匿名"，特别是如果普查数据与其他公共统计数据结合在一起的话。因此，人口普查局向数据中注入了错误或"噪音"。它可能会使某些人年轻一些，而另一些人则变老，或者将某些白人标记为黑人，反之亦然，同时保持各个年龄段或不同种族的总数相同。注入的噪声越多，去匿名化就越困难。
差分隐私是一种数学技术，通过测量添加噪声后隐私增加了多少，从而使此过程变得更加严格。苹果和Facebook已经使用该方法来收集汇总数据，而无需识别特定用户。
但是过多的噪音会使数据无用。一项分析显示，2010年人口普查的另一种私有版本包括据称拥有90人的家庭。如果一切顺利，该方法可能会被其他联邦机构采用。加拿大和英国等国家也在关注。
十、气候变化归因
研究人员现在可以发现气候变化在极端天气中的作用。去年9月，热带风暴伊梅尔达（Imelda）开始在休斯顿地区附近的各个地区泛滥十天后，一个快速响应的研究小组宣布，气候变化几乎可以肯定起了作用。
世界天气归因小组（World Weather Attribution）比较了气候变化发生和未发生的高分辨率计算机模拟。在前者（我们所生活的世界）中，严重风暴的可能性高出2.6倍，而强风暴则高出28％。
在本世纪初，科学家不愿将任何特定事件与气候变化联系起来。但是在过去的几年中，进行了更多的极端天气归因研究，并且快速改进的工具和技术使其变得更加可靠和令人信服。
结合了先进技术，这已经成为可能。首先，冗长的详细卫星数据记录正在帮助我们了解自然系统。而且，增强的计算能力意味着科学家可以创建更高分辨率的仿真并进行更多的虚拟实验。
这些和其他方面的改进使科学家能够以越来越高的统计确定性指出，是的，全球变暖通常加剧了更危险的天气事件。
通过将气候变化的作用与其他因素区分开来，研究告诉我们需要准备应对什么样的风险，包括预期会发生多少洪灾，以及随着全球变暖恶化，热浪将如何加剧。如果我们选择聆听，它们可以帮助我们了解如何为气候变化的世界重建城市和基础设施。
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