过去的经验告诉我们，谁主导了工业革命，谁就掌握了未来的国运，第一次工业革命成就了日不落帝国——英国，第二次和第三次工业革命又让美国制霸全球。

如今，中国经过几代科技人的不懈努力，终于在第三次工业革命的尾声追赶上了发达国家的脚步，而能否在下一次工业革命中占得先机，将决定国家未来数百年的命运。

如何敏锐地捕捉到下一次技术革命的信号？

基因工程、核聚变、量子科学、人工智能和石墨烯技术，这五大技术极有可能成为推动人类进步，迈入第四次工业革命的核心技术。

今天就来盘点一下，截至2022年中国在这五大技术领域的发展情况。

——解开生命奥秘的密码

基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术。

基因储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。他是生命的终极奥秘。

人类的基因中含有30亿个DNA碱基对，完成这些碱基对的完整、无间隙测序对于了解人类基因组变异全谱、掌握基因对某些疾病的影响至关重要。

30亿个，这可不是小数目，上世纪90年代初开始，全球的科学家就开始着手完成人类基因测序工作，这项号称生命科学领域的“登月计划”，在2022年终于取得的阶段性成果。

2022年3月31日美国研究人员，在《科学》杂志上公布了首个完整、无间隙的人类基因组序列。

这相当于我们有了一本“基因字典”，绝大多数内容我们还不能理解，但最起码已经有了查阅的工具。

Nature论文截图

基因工程的应用

基因工程应用在转基因食品、生物武器、环境保护、基因医疗、分子化研究等多个领域。其中基因医疗是重点领域，有可能触碰到“长生秘诀”。

2020年诺贝尔化学奖（CRISPR/Cas9基因编辑技术）的授予，这让世界开始意识到人类已经临近“基因时代”的大门。

中国当前水平

中国在基因工程方面整体水平较世界顶尖水平还存在较大差距，在基因治疗方面方兴未艾，例如治疗血友病、β地中海贫血都还未进入临床试验，中国基因治疗企业也大多数起步较晚，如信念医药、中因科技、辉大基因等。

相较光刻机受制于人的知难而进，在基因测序仪领域，从“人类基因组计划的1%”开始，历经20年，中国已经打破国外垄断，实现对这一工具的自主可控，是目前“唯二”的掌握全产业链（技术、装备、市场应用等）的国家。

华大智造高通量基因测序仪DNBSEQ—T7

宏基因组( Metagenome)，全球范围内该领域专利申请量7000多件，其中美国申请专利量达3300多件，中国排名第二，申请专利量达2000多件，在基因编辑领域，中国努力跟上脚步。

核聚变

——真正的人造太阳

可控核聚变技术被誉为人造太阳的，一直以来都被认为是人类文明的终极能源。

可控核聚变期间不产生有害辐射，而且能量释放强度远超核裂变，而且可控核聚变不需要铀矿，从海水中就能提取所需的燃料，堪称最经济实惠的能量源，因此它才被各国寄予厚望。

太阳之所以能够发光发热，就是其内部稳定的核聚变。

托卡马克装置

为了约束核聚变的能量，科学家们才研究出了托卡马克装置，这种采用磁约束或者惯性约束的装置，能把核聚变期间数亿摄氏度的等离子体与外部隔绝开来，并牢牢把控住这股能量，在一切稳定的前提下，再把能量慢慢导出到外界，最后实现发电。

中国的托卡马克

2021年12月30日中科院合肥物质科学研究院，有人造太阳之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)，实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高等离子体运行的最长时间。

研究所所长宋云涛在接受采访时说：我们全面验证了未来核聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。

我国当前的托卡马克核聚变装置走在了世界最前列，是目前最有希望率先掌握可控核聚变技术的国家。

全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)

可控核聚变距离真正商用建成核电站还有很远的距离，科学家预测，2040年到2060年可控核聚变将走出实验室，真正为人类解决能源后顾之忧。

量子科学

——量子革命拐点将近

量子科学现在最主要的三个方向是：量子计算、量子通信、量子精密测量

潘建伟院士：量子科技关乎国家战略，唯有不断突破创新。

中国的量子信息技术整体上的确处于追赶欧美先进国家的状态，但在具体领域也有领先，这和国家布局与发展策略有关。

潘建伟在中科大上海研究院的实验室里调试设备

量子计算：赶上第一梯队

在科研领域，中国的量子信息技术与美国差距不大。从论文上来看，量子计算领域过去五年中科院、清华大学、中科大等科研机构发文量排在世界前20，并且我国的专利申请数量近年来也突飞猛进。

2020年12月，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，使我国成为全球第二个实现“量子计算优越性”的国家。

2021年10月，113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”宣布诞生。

根据目前已公开的最优化经典算法，“祖冲之二号”对量子随机线路取样问题的处理速度比目前最快的超级计算机快千万倍以上，比谷歌的同类型原型机“悬铃木”快约四万倍。

“九章”和“祖冲之二号”的成果，使得我国成为目前唯一在两种物理体系都实现“量子计算优越性”的国家，确立了量子计算研究国际第一方阵的地位。

九章二号量子计算机

落后主要在产业化发展上。

我国量子计算的研发主体主要是高校和科研院所，产业化与市场化布局明显落后于领先国家。

量子通信：领先水平

由于我国面临复杂的信息安全形势，在军事、政务、金融和关键基础设施等领域，对提高信息安全保障能力的需求较为迫切。国家对于量子保密通信的布局与研究起步较早，投入也较大。

2016年8月，中国发射了世界首颗量子通信卫星，墨子号量子科学实验卫星，并在后期的实验中实现了洲际量子保密通信。

目前，我国量子保密通信试点应用项目数量和网络建设规模已处于世界领先水平，并且已经得到了初步的产业化发展。

量子精密测量：第一梯队

精密测量是科学研究的基础，以时间测量为例，从古代的日晷、水钟，到近代的机械钟，再到现代的石英钟、原子钟，随着时间测量的精度不断提升，通信、导航等技术才得以不断发展

2018年在国际上首次实现了利用激光冷却技术的空间冷原子钟。

目前量子精密测量领域的世界纪录大多由欧美国家保持。从论文和专利数量看，美国领先，中国第二，日、韩、英、德等国跟随。

人工智能

——虚拟“人类”代替真实人类

人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

二十世纪七十年代以来，AI被称为世界三大尖端技术之一，也是当下最热门的研究方向。

2016 年 3 月 9 日－12 日，AlphaGo 连下三城，根据五局三胜的赛制，李世石九段已提前被淘汰，无缘 100 万美元奖金。

3 月 13 日，李世石扳回一局；3 月 15 日收官战，AlphaGo 再下一城，最终比分定格在 4:1。

早在2016年，人工智能的围棋水平就已经超越人类，有人说，AlphaGo象征着人工智能时代的黎明。

人工智能分类

人工智能可以根据人做的事来分，有机器学习（大脑），计算机视觉（眼睛），自然语言处理（耳朵和嘴巴），机器人（四肢）等等。

中国人工智能发展水平

李开复在《AI 未来》一书中提到：在 21 世纪建设人工智能超级大国需要具备四个条件：大数据、执着的企业家、优秀的人工智能科学家和有利的政策环境。

中国是为数不多符合以上条件的国家。

人口大国的特殊性创造了世界上最丰富的数据生态环境，我们拥有众多顶尖企业，例如人工智能行业应用为主的科大讯飞、商汤、海康，以人工智能搜索和社交应用为代表的腾讯、百度，以人工智能电商应用为代表的阿里巴巴、京东，还有以人工智能芯片研发为产业的华为、寒武纪等科技公司。

加上入世之后中国的经济突飞猛进，加之良好的政策环境，中国在第三次人工智能浪潮中，从追赶者成为了引领者。

石墨烯技术

——神奇的未来材料“黑金”

石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

神奇的特性

1、优良导电和光学性能，是零距离的半导体；

2、已知强度最高的材料，是钢的 200 倍，同时还具有很好的韧性和拉伸性，可弯曲；

3、极佳的热传导性能；

4、已知的最轻的材料，1 平方米重仅 0.77 毫克。

看上去是不是很完美的材料？所以石墨烯被称为第四次工业革命的材料，也被誉为“黑金”。

制造难题

石墨烯面对的最大难题就是产量和尺寸，目前市场上大多数石墨烯其实并不是存储的单层石墨烯，而是复合型的多层石墨烯，无法发挥出单层石墨烯的优秀性能，石墨烯的制造技术远远还未成熟。

当前发展情况

石墨烯还未进行大规模应用，仅仅在电池领域上崭露头角。

石墨烯之所以能够在电池领域上得到应用，这主要是利用石墨烯的低电阻的特性，加大了电池的利用率，这也延长了电池寿命，于是石墨烯很快成为了电池领域十分青睐的一种材料。

已知研究数据中，使用石墨烯技术生产的电池，安全充电次数可以达到数十万次，同时没有明显的老化或者衰减的情况出现，想要充满电只需要15秒钟就可以完成，充电效率是锂离子电池的1000倍。（是否能落地有待考证）

全球近70%的石墨烯专利都来自中国这个世界上石墨储备最大的国家。但从整体来看，石墨烯应用还停留在中低端阶段。这不仅跟低品质的石墨烯性能有关，还因缺乏系统高效的石墨烯制备方法。如果有一天，我们攻破了简单高效的高质量石墨烯制备方法，真正的石墨烯产品就有可能出现了。

天才少年曹源，因魔角石墨烯研究成为Nature2018年度十大人物

谨防骗局

针对某些品牌宣传的“石墨烯”电池，欧阳高明院士公开表示：“如果有人说新能源车能够跑1000公里，充电还只要几分钟，还能够保证安全性，就以目前的技术来讲，根本不存在这样的可能，那么他一定是一个骗子。”

由于石墨烯的制备难度还很高，现在市面上打着“石墨烯”幌子的高科技产品，百分之九十九都是非石墨烯技术或者掺入少量含有石墨烯的复合材料，只是单纯为了卖高价而已。

理性看待，谨防诈骗。

综上所述，基因工程、量子科学领域中国目前处于第一梯队，人工智能领域在部分方向小有成果，在第一梯队中属于领跑者，核聚变和石墨烯领域目前全球范围尚处于初始阶段，中国有所突破，但能否抢占先机有待时间验证。

科技是第一生产力，唯有独立自主，才能自强不息。

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