科普高峰论坛

褚君浩，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室研究员、华东师范大学信息科学技术学院院长，中国科学院学部主席团成员，美国SPIE会士，中国科学院院士

作者简介：褚君浩，研究员，中国科学院院士，研究方向为红外光电子材料和器件

引用格式：褚君浩.科技创新开拓智能时代[J].科技导报，2019，37(2)：31-33；doi：10.3981/j.issn.1000-7857.2019.02.008

报告主要有三方面内容：第一是科技创新驱动工业革命，第二是科技创新促进智能技术发展，第三是弘扬奋斗精神、融入时代潮流。

第一，科技创新驱动工业革命。人类经历的几次工业革命都是在科技创新驱动下发展起来的。第一次工业革命中产生的蒸汽机是热力学的规律，也是第一次工业革命机械化。第二次工业革命是能量转化定律，电磁学的定律，引起电气化的革命。第二次工业革命之后出现许多新技术，这些技术在现代社会中得到广泛应用，而且得到了更进一步的发展。19世纪至今，电磁场理论的发现使人类进入了电气时代，而且直到现在电气时代的技术还在发展。

工业革命的发展有两种脉络。第一种是从技术到科学再到技术，例如第一次工业革命。第二次工业革命提供了第二种模式，即先在实验室做实验科学，发现规律后创造出发电机、电动机。不论是第一次工业革命，还是第二次工业革命，它们的特点都是科学与技术交叉推动，这一重要特点也是使科学技术不断发展的一个非常重要的问题。

第三次工业革命的特点是信息化。原子物理、量子力学、固体物理、现代光学、半导体科学的发展促进了很多技术的发展，例如量子力学。因为有了量子力学才有能带理论，有了能带理论才有半导体技术，才有我们现在所有的信息技术。科学的发展推动技术的发明，引起许多方面的发展，使低成本、高效的应用有了可能。

麦克斯韦方程科学发现到现在仍在使用，所有的通信技术、无线网（Wi-Fi）都是基于电磁波理论建立的。发现了相变的规律就有了液晶显示，发现了巨磁阻效应就实现了高密度存储器，电荷耦合器件利用光电转化可以实现很多好的功能，中村修二发明的蓝光二极管使白光光源成为可能。

当前量子力学得到了进一步发展，现在是第二次量子力学的革命，量子计算、量子通信都有潜在的可能性，而且正在逐步转化为现实；量子力学的超导理论、超导磁体、核磁共振与医学发展有着非常密切的关系；磁悬浮目前也在试验与使用中；相对论的时间修正也用于全球定位系统（GPS）的时钟修正；最近研究的记忆电阻器，将来能将人脑的问题更好地应用在人工智能中的一种新的器件；拓扑绝缘体是一种新材料，传输过程中没有损耗，可以建立信息的高速公路；根据摩尔定律，现在的电子元器件越来越小，超越摩尔定律的一种可能性是自旋电子学器件，功耗更低、速度更快，所以现在信息的基础不断地发展。

随着信息技术科学和技术基础的进一步发展，信息技术本身也从数字化发展成为大数据，从程序化发展到智能化，从小型化发展到微量化，由人机网络发展到人机物网络。现在世界数据和认知物理高度融合，人类处在无所不在的网络中。

当前科技发展有三大特征，第一个特征是信息时代的特征还在发展，现在常用的手机很方便，但是信息技术没有终止，还在进一步发展。第二个特征是多领域科学发现和技术发明多轨并行、交叉推动，多个领域的科学发现发明，科学发现促进技术发明，技术发明需要进一步的科学发现提升。第三个特征是信息技术和多领域的科学技术深度融合发展。这些为新工业革命的技术提供了源泉。

第一次工业革命是机械化时代，第二次工业革命是电气化时代，第三次工业革命是信息化时代。我们现在处在后信息化时代，处在信息化时代的后期向智能化时代迈进的时刻，即第四次工业革命。在此期间，思想理念都会有很大的发展和变化，这就是迎来智能时代的一些状况。

智能时代的技术将会有这样一些态势：1）智能化分布式新能源系统；2）智能化的复杂体系、物联网和智慧城市；3）机器人、传感器及人工智能；4）智能化制造技术及新材料；5）其他领域的创新技术，包括大健康产业。

智能时代非常具有标志性的就是智能化系统，有智能化的系统才能称为智能化时代。智能化的系统要包含三大要素：1）动态感知；2）智慧识别；3）及时反应。

动态感知需要依靠传感器。智慧识别依靠大数据，但也要依靠物理模型。例如天气预报，大气有非常多的数据，是大数据系统，是要与空气动力学、大气物理结合起来的物理模型，所以大数据与物理模型结合提供智慧识别。在信息平台、互联网、物联网等基础平台上，构建智能化系统。智慧城市是一种形式，另一种形式是高阶的智能化系统，也就是人工智能。传感器已经走进人们的生活，在科学技术、工农业和国防科技中随处可见。

传感器是把光、声等信号变成电信号，因为电信号容易控制，且最容易进行加工。有各种传感器，光、声、热、电、磁传感器，还有分子、气体、生物传感器等可以取代人的五官。传感器目前深入发展有3个方向：1）建立在极致掌握材料器件技术基础上的高性能传感器；2）新应用目标驱动新需求，要实现建立在交叉学科与集成技术上的新型传感器；3）科学研究驱动，构建异质材料的新结构，发现多场耦合效应，这些效应有可能实现新高性能的传感技术。以光电器件为例，有光电导型、光伏型，例如在低温区工作的半导体红外器件，应用在飞机上的是航空遥感，应用到卫星的就是航天遥感。要做到极致，就需要对内在的物理图像非常清楚，每一步都要计算得清清楚楚。仅有图像还不够，还要对技术方面做到非常极致地掌握，有时我们做得不错但也做得不好，从做不错到性能好要有极致掌握。

图1 褚君浩在世界公众科学素质促进大会科普高峰论坛做报告

不同的波段有不同的用处，例如要发展的太赫磁器件，有很多用处，市场也很大。太赫兹具有透视的本领，用可见光看上去是拿了张报纸，但是用太赫兹波长检测，报纸里面是一把刀，因为太赫兹有透过一定深度的本领，这种技术需要发展光源和探测器。

新应用目标驱动下建立在交叉科学和技术集成基础上的新型传感器。例如，2017年发射的“墨子号”量子科学卫星，两个纠缠的光子都是偏振的，那就需要把高保偏的光学薄膜做到极致，这样才能够不改变纠缠光子的偏振度。再如，生物识别也需要一种成像光谱来识别，还有分子信息传感。例如有人带了炸药进来能不能报警？用荧光猝灭效应检查非常灵敏，比狗还要灵敏，现在开会时经常会用这个作为安保系统。此外，医学成像也是很大的领域。

除了传感外还有识别，识别中非常重要的是用谱像识别。建模型之前先要建数据库，数据库做好后就可以知道水稻亩产是250 kg还是500 kg。例如铀矿也可以先把光谱做出来，然后跟数据库比对。所以智能化行为的系统在智慧城市建设中是非常大的领域。

第三，弘扬奋斗精神，融入时代潮流。在新的时代里，既看到国家现在发展有水平的地方，也要看到还有一些不尽如人意的地方。既要看到我们国家国内生产总值（GDP）的数量是比较大的，也要看到我们人均GDP的值是比较低的。所以大家还是要继续努力。千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金。习总书记说幸福是奋斗出来的，要幸福就要奋斗。所以我们要培育健康的心灵、健康的体魄，要吸取外界养料，要融入时代的潮流。