周末刷知乎时,看到了 2020 腾讯科学 WE 大会的直播观看邀请,留意了下时间,发现空闲。所以观看了下,全程 2小时 21 分,8 位不同领域的顶级研究者分享了自己最新研究成果,十分精彩,这可能是我 2020 年唯一的看了这么长的科学分享,故整理记录分享之。

演讲嘉宾

以人为本、科技向善

2020 年发生了全球范围内的新冠疫情,影响着我们的生活。与此同时,地球还面临着各种各样的问题,比如台风、干旱,洪涝和环境恶化等。这些都不断挑战着我们赖以生存的地球。

面对复杂多样的挑战,不管是为了自己还是为了人类的未来,我们都应该主动的保护地球,使用科学的方式降低人和交通对地球环境的响应。比如使用新的能源实现零碳排零污染,保护和节约水资源,发展智慧农业、不断改善人类身体的健康、全球范围内监测疾病和控制病菌等,从而助于全人类实现更高的生活品质,为人类的未来保驾护航。通过不断对人类交互、食物、能源、水和健康需求的智慧体系建设,会为人类这个物种带来巨大进步,也可以让人类更长久的居住在这颗蓝色星球上。

新量子革命

潘建伟教授

分享者:潘建伟教授,量子物理学家,中国科学院院士,世界首颗量子科学实验卫星 “墨子号” 缔造者,被称为 “量子之父”。

信息交互和隐私

从古生物学讲起,在10万年前存在着两种人,智人和尼安德特人,后者比智人身体更加强壮,脑容量更大,然而为什么智人最终进化出了我们现在的人类呢?因为智人发明了基本的符号和语言,这样智人就可以有效的进行信息交互,可以更好的进行社会化合作,所以智人最终走向了胜利,也因此可以发现信息的交互至关重要。

在古代,信息的交互主要是靠着口口相传,文字和文字载体出现以后呢,可以进行千里传书,互通信息。从古至今,人类信息交互的方式不断演进,但是都是越来越方便快速。

伴随着信息的交互,隐私性的作用也体现了出来,因为你不知道别人的想法,所以古代也出现了春秋战国的百家争鸣,古代西方的雅典学院,都推动了人类文明的一大进步。

第一次科学革命

第一次科学革命牛顿告诉我们所有的力学都可以统一成一个简单的力学公式,麦克斯韦又告诉我们一切光电磁的现象都可以统一称为一个方程组。这一次的科学革命带来的科学技术极大的推动了信息交互的效率的提升,比如出现了蒸汽机,空间位置不再是问题,电力的发现让地球变成了地球村,远距离信息交互前所未有的方便,也因此推动了人类文明走上了一个新的台阶。

计算能力和隐私保护

在科学革命之后,信息交互效率的提升,已经并将一直伴随着人类的进化、社会的发展。1943年第一台计算机重量一吨,计算能力 5000次/秒。2010年一部智能手机的计算能力的已经超过当年阿波罗登月计划计算能力的总和。在这期间每一次计算能力的提升都带来信息交互效率的提升,改变着社会和生活方式。作为这个数字化时代的我们体会应该更加明显。

计算能力

然而目前人类的计算能力怎么样呢?当今全球所有的计算机的计算能力都加在一起,一年都没法完成对2的90次方的穷举搜索。而且传统的计算机发展模式已经收到严重制约。摩尔定律正在逐渐的逼近极限。未来10年晶体管的大小可能会达到亚纳米尺寸,这时晶体管的电路原理将导致计算力没有可以提升的空间。

隐私性问题

目前计算机的加密方式依赖于计算复杂度的经典加密算法,随着计算能力提升,原理上都会被破解,甚至有人说人类以人类自身的才智,根本造不出无法破解的密码,交互信息安全的问题也随之出现。

如何解决目前遇到的计算能力和隐私性问题呢?答案是量子力学

量子力学

量子力学

量子的概念:它是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者,具有不可分割特性。

量子叠加态:经典物理学上只有 0 和 1,是和否两种状态;量子力学则有 0 或 1 或者 0&1的叠加状态。

量子纠缠:爱因斯坦描述为:遥远地点之间的诡异互动。也就是说可以有两颗量子,不在一起却有互相感知的能力。目前已经实验证实,确实会存在遥远地点之间的诡异互动。

量子信息科学:喝一杯水很容易,但是拿出一个水分子很难,现在的科学家可以把单独的一个量子光子拿出来,并进行主观的操控,由此诞生了量子信息科学。

量子通信:原理上无条件安全的通信方式。同时有强大的计算能力。

量子密钥分发:原理上无条件安全的通信方式,在分发密钥时先送一系列处于各种各样状态的单光子。因为光子不可分割,所以光子信息不会被窃取;同时因为光子的状态在测量时会有扰动,会破坏它的叠加态,所以也不用担心会被测量监听。这样就可以实现加密内容不可破译的安全的量子通信。

量子隐形传态:利用量子纠缠可以将量子信息传送到另一个地点,而不用传送信息的载体本身。

量子计算:惊人的计算速度,经典计算机不能相比。

300位大数分解:万亿次经典计算机需要15万年,万亿次量子计算机只需1秒。

求解亿亿亿变量线性方程:亿亿次经典计算机需要100年,万亿次量子计算机只需0.01秒。

脑机接口

分享者:Miguel Nicolelis,脑机接口权威专家,神经科学家,杜克大学医学院神经科学教授。

同时也是2014年巴西世界杯的“机械战甲”之父。Nicolelis 是脑机接口研究领域的领军人物,他用脑电操控机器这一想法在医学上有很大的意义,可以帮助失去运动能力的瘫痪患者重新行走。他还发现了一系列重要的可支配哺乳动物大脑环路的生理学原理,可作为重度截瘫、帕金森病和癫痫患者潜在的新治疗手段。

下面是他分享的过去20年的脑机接口发展历程。

最初设想

通过一个设备收集被试验者的脑电波信号,然后把设备收到的脑信号(如控制手臂)传输到不与之相连接的另一台机器上,另一台机器的做出同样的操作。可以简单的理解为只用大脑让机器做出你想做的事情,仅靠想象完成一系列操作。

脑机接口实验

实验一:视觉

阶段一:

让一只猴子用手操作面前控制杆,控制杆连接到电脑游戏,控制杆可以控制电脑中的光点游戏(把操作的光点移动到白色圆圈内)。成功操作一次就给一滴果汁作为奖励。同时通过猴子头部上方的机器记录猴子操作时发出的脑电波信号。

脑机接口实验一

阶段二:

还是同一个游戏,但是撤去猴子面前的操作杆,直接通过脑电波信号转换成想要的操作去控制游戏中的光点,结果是猴子仅用想象,什么都没有操作,依旧可以成功的操作屏幕中的光点游戏。脑电监测装置成功的捕捉并分析出了猴子的想法。

实验二:触觉

脑机接口实验二

触觉游戏,猴子控制两个虚拟手指去触摸几个看不到的物体,同时把触摸感受反馈直接传送给猴子大脑,其中有物体表面是粗糙的,在猴子选择出粗糙的物体时,给果汁作为奖励,发现猴子总是可以不通过触碰选择出粗糙的物体表面。说明回传给猴子大脑的信号是有效的。

实验三:动作

脑机接口实验三

简单描述一下,让猴子坐在一个小车上,这个小车通过信号控制,信号来源于猴子头上的脑电信号收集器,在指定位置放上一串葡萄,实验结果发现猴子可以通过脑海里的想象操控小车移动到葡萄位置。

实验四:人体

寻找了 8位瘫痪多年的实验者,为他们定做机械外肢。这些机械外肢通过收集到的脑电信号进行控制,通过半年的训练后,最终患者可以通过想象自由的控制机械外肢进行自由移动。

脑机人体控制

在 2014 年的巴西世界杯开幕上,成功让一位通过训练的瘫痪患者控制自己的机械外肢射进一球,通过大脚趾上的传感器,这名患者不仅成功射门,更感受到了球触碰到脚趾的感觉。

2014年巴西世界杯开幕式

后续,这 8 位瘫痪患者通过这次的控制机械外肢的训练,持续追踪了28个月后,发现大部分的患者的瘫痪程度都有大幅度减轻,有些甚至可以只借助支撑装置进行行走,其中有一位竟然不借助装置可以自由行走,这在医学上让人惊讶。

人造皮肤

分享者:鲍哲南,著名化学家,斯坦福大学化学工程系系主任。

假肢感知能力

目前世界上有很多不同程度的身体残疾人,他们使用假肢生活,没有任何感觉,抚摸着自己的婴儿没有触觉,做饭时被烫伤没有温度感觉,摸到物体时不能辨认形状,这些可以通过给假肢添加人造皮肤改变。

人造皮肤的几个难点。

  1. 需要可以覆盖,不会碎裂,柔软不刚硬的材料。像皮肤一样可以拉伸、可以自我修复甚至可以生物降解。

  2. 可以感知温度、压力和物体。

    温度感知可以通过热胀冷缩性来实现。然后得到温度信号。

    压力感知让你用不能的力度去触摸物体,而不会破坏掉。比如拿一个鸡蛋,捏一个气球。通过类似金字塔的无数感知器被挤压时得到压力信号。

    物体感知是因为你的皮肤在碰到物体时会变形,你就可以感知到它的形状,让你闭着眼睛也可以知道这是一个苹果还是一个橘子。

  3. 人造皮肤的信号可以传输给大脑,可以被大脑认同,这样才能感同身受。

最后

本次的 2020 腾讯科学 WE 大会共邀请了 8 位演讲嘉宾,领域包括人工智能、生命科学、宇宙天文、技术公益等。上面只整理了其中的三位,每一位都是所属领域的顶级专家。通过他们的分享,可以了解到诸多领域的最前沿的知识成果。由于水平有限,整理分享出于个人兴趣,理解程度难免存在不足,有问题的地方还请指正。

附录:直播回放地址:https://we.tencent.com/

最后的话

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