2021年世界网信前沿技术领域发展综述

秦 浩, 刘凌旗, 栾 添, 姜典辰

(1.中国电子科学研究院，北京 100041;2.中国电科发展战略研究中心，北京 100043)

0 引 言

2021年，尽管面临疫情冲击、经济下行、军事冲突等多种不利因素，各国仍坚定发展网信前沿技术，在顶层设计、前沿布局、领域应用等方面频频发力，助推人工智能、量子信息、大数据、区块链、云计算等技术全面发展并取得丰硕成果。从各技术方向来看，人工智能仍是关注重点，强化战略牵引，加速顶层布局，助力技术与应用深化发展；量子信息领域投资持续增加，量子计算技术持续升级，量子通信场景建设循序推进，量子测量精度稳步提升；大数据技术的重要性日益突出，数据与人工智能加速结合并推动联合全域指控的实现，脱氧核糖核酸(DNA)存储技术向实用化迈进；区块链技术应用程度逐步加深，技术应用加速推进并开启军事应用试点；云计算布局仍是强国信息化和智能化转型的关键，建设思路在探索中前行，新计划驱动未来作战环境变革。本文梳理总结2021年网信前沿领域各技术方向的重要进展，以期把握当前发展态势，窥见未来发展方向。

1 人工智能技术发展势头强劲，应用拓展成为主攻方向

2021年，人工智能仍是各国最着重发展的网信前沿技术之一。除继续开展顶层布局，推出法律法规、颁布战略计划、加大资金投入金额等措施外，以美国为代表的世界军事强国积极开展机构调整等管理措施改革，加速领域的人工智能技术研发，取得了一系列应用进展。

1.1 顶层布局仍是关注焦点，立法、战略和投资持续升温

2021年，美国持续强化战略牵引，加紧人工智能顶层布局。1月，美国《国家人工智能计划法》[1]签署生效，提出要设立国家人工智能计划办公室，设立国家人工智能咨询委员会，并持续对人工智能进行投资等措施；3月，美国人工智能国家安全委员会(NSCAI)发布《最终报告》[2]，重点阐述了人工智能时代保卫美国的重要性、必要性以及美国抵御由人工智能技术引发相关威胁的必要举措，并就如何负责任地使用人工智能、保护美国人民与利益提出了建议；6月，美参议院通过总投资额达2 500亿美元的《美国创新与竞争法案》[3]，提出分阶段向美国国家科学基金会注资1 900亿美元，加强人工智能、量子科学等研发，设立技术和创新局等研究机构，有效增强美国的研发实力，提高美国的基础设施创新能力；6月，美国国防部表示2022年将向人工智能相关技术投资8.74亿美元，以增强对潜在对手的威慑力，并提高计算、指挥和控制以及后勤等方面的效率；7月，美国防部长劳埃德·奥斯汀表示，国防部已将人工智能投资作为“首要任务”，将在未来5年内向国防高级研究计划局(DARPA)的人工智能项目投资约15亿美元，国防部计划利用人工智能和其他技术来帮助建立战略优势，形成创新和投资相结合的综合威慑模型[4]；8月，美陆军未来司令部人工智能集成中心发布陆军人工智能未来5年规划，聚焦自主系统、数据分析、可视化、战场感知智能、安全与决策辅助等11个重点领域[5]；美海军发布《智能自主系统》[6]战略，致力于通过高度分布式的指挥和控制架构，加速智能平台的开发和部署，提供必要的战斗硬件，以满足海军“前瞻计划”的需求，并指出美海军将通过综合无人系统、人工智能和自动驾驶的交叉，实现用智能自主系统赋能未来的愿景；10月，退伍军人事务部发布《人工智能战略》[7]，正式确定退伍军人事务部将开发、使用和部署人工智能能力的愿景，并利用人工智能惠及美国退伍军人和社会。

除美国外，其他国家和地区也正加快人工智能顶层布局。欧洲是2021年领域布局的赢家，其于2020年发布人工智能白皮书和数据战略后再次发力，推出了多项战略与政策。3月，欧盟接连发布《2030数字罗盘：欧盟数字十年战略》[8]《“地平线欧洲”2021-2024年战略规划》[9]《2021年管理计划：通信网络、内容和技术》[10]，重点关注数字化转型，为欧盟数字化发展提供战略建议，指出欧盟应该通过加强人员的数字化技能培训、加强数字化基础设施投资等措施实现数字化转型，拟重点开发微电子、量子、区块链、石墨烯和脑科学等技术；5月，斯洛文尼亚通过国家人工智能方案[11]，致力于2025年前在斯洛文尼亚促进人工智能的发展和使用；10月，北约各成员国国防部长联合签发《北约人工智能战略》[12]，强调要以合乎道德的方式将人工智能应用于国防和安全领域，制定使用人工智能技术的标准，以应对对手使用人工智能给北约带来的威胁，各成员国要在国防和安全领域的人工智能问题上加强协调合作，加速人工智能能力研发和运用，提高联盟内部人工智能技术与能力的互用性。

1.2 加强机构改革，优化管理提升技术发展

2021年，美国联邦政府多机构实施重要改革，以管理优化提升助推人工智能发展。1月，美国白宫科学技术政策办公室宣布成立“国家人工智能计划”办公室(NAIIO)，负责监督联邦政府实施《2020“国家人工智能计划”法》[13]，主要职责包括为人工智能跨机构委员会和国家人工智能咨询委员会提供技术和行政支持等，将加强联邦政府内的跨机构协调，促进非政府专家参与，促进美国人工智能研发，确保未来数年美国在人工智能领域的领导地位；7月，美国防部联合人工智能中心新成立了一个部门，负责收集、审查和向国防部各部门分发开源和工业机器学习模型，并通过开展自我攻击来测试人工智能系统，旨在应对将人工智能应用于军事用途的关键挑战，以提高人工智能安全性；9月，美商务部成立国家人工智能咨询委员会(NAIAC)[14]，其任务是对《国家人工智能计划》进行独立评估，并就与人工智能研发、道德、标准、教育、技术转让、商业应用、安全和经济竞争力相关的主题向美国总统和国家人工智能计划办公室提出建议；11月，美国防部宣布将其下属的联合人工智能中心、国防部数字服务局及首席数据官办公室合并重组为首席数字与人工智能官办公室；12月，美国防部发布备忘录确认于2022年1月正式设立首席数字与人工智能官(CDAO)[15]职位，该职位将隶属美国防部常务副部长，通过整合国防部的数据、人工智能等能力，加速向作战部队“交付能力”，应对战略竞争对手的挑战，该办公室将于2022年6月1日前形成完整运作能力。

1.3 技术多点突破，行业领域各放异彩

军用人工智能技术研发方面形成多点突破的局面。智能网络攻防技术、智能化指挥控制技术、边缘智能图像处理技术和认知电子战技术等方向取得进展。4月，美国防部IKE项目正式移交网络司令部，该项目是美国网络空间作战的关键系统研发项目，可为美网络空间任务部队提供网络指挥控制和态势感知能力，并利用人工智能和机器学习技术帮助指挥官理解网络空间战场、支持制定网络空间战略、建模并评估网络空间作战毁伤情况；5月，DARPA启动“像素智能处理”项目，研发边缘智能图像处理技术,该项目提出一种创新的战术边缘图像处理思路，在前端将人工智能算法嵌入成像传感器像素层，在后端将循环神经网络嵌入计算平台，使处理效率至少可提高一个数量级,该项目是美军提高边缘情报处理能力的重要尝试，有望成为推进无人化战争的关键赋能器，具有良好的应用前景；9月，美空军研究实验室启动“怪兽”项目[16]，旨在开发一系列与人工智能/机器学习相关的技术和资源，以应对新兴综合防空系统并确保美国空军未来的空中优势，研发新型认知电子战技术以穿透敌方由多谱传感器、导弹和其他防空设施构成的新型综合防空系统。

民用领域，人工智能技术在生物识别、健康预防及治疗等诸多方面取得多项突破，未来有望获得更大发展。1月，加州大学圣地亚哥分校等机构提出一种名为“多精度材料图网络”的机器学习方法，能够学习来自多种测量和仿真来源的数据，通过AI模型预测材料的特性，帮助科学家筛选有研究前景的候选材料；2月，《麻省理工科技评论》发布“2021年全球十大突破性技术”[17]，美国OpenAI人工智能实验室发布的采用深度学习生成类人文本的自回归语言模型“生成性预训练变换器3”(GPT-3)位列其中；4月，德国科学家开发出“多组学图形集成”AI系统，通过对数万个医疗数据集的分析，确定了165个癌症相关新基因，该研究为个性化药物靶向治疗以及生物标志物开发开辟了新前景；5月，美国西北大学和香港大学的研究人员合作开发出一种类似大脑能力的、能够通过联想学习的计算设备，该设备有望克服传统计算的局限性，特别是突破硬件性能与功耗间的内生矛盾以及羸弱的多任务并发执行能力，其更高的容错能力可保证在某些组件发生故障时继续平稳运行；7月，DeepMind和谷歌的研究者提出神经网络算法，对常见的混合整数编程(MIP)求解器进行改进，并应用于MIP求解器的两个关键子任务[18]；7月，美国谷歌旗下DeepMind公司宣布，其研发的人工智能系统AlphaFold2实现了对98.5%已知人类蛋白质以及大肠杆菌、果蝇、疟疾寄生虫等20种模式生物蛋白质的结构预测，可帮助研究疾病并寻找有效治疗手段[19]。9月，全球信息技术研究和顾问公司Gartner发布2021年人工智能技术成熟度曲线，曲线显示负责任的人工智能、小而宽数据策略、人工智能平台的可操作化，以及数据、模型和计算资源的有效利用四个趋势正推动当前的人工智能创新；12月，DeepMind研究人员提出采用机器学习辅助发现数学猜想和定理的方法，认为可通过人工智能技术发现数学目标中潜在的模式和关系，理解这些目标之间的属性机理，并帮助数学界寻找直觉和模式。

1.4 聚焦自主行动与认知增强，智能应用异彩纷呈

人工智能军事应用方面，2021年取得了多个“历史首次”，如土耳其无人机首次在战场自主攻击了人类，英国首次在特定演习中使用人工智能技术快速处理周围环境和地形信息的大量复杂数据，美国海军首次在年度最大规模活动上演示验证了相关项目开发的能力等，人工智能技术应用于战场的能力和水平得到明显提升。

6月，联合国安理会发布的《安全理事会第1973(2011)号决议所设利比亚问题专家小组的最后报告》[20]显示，土耳其STM军事科技公司生产的kargu2(卡古2)型四轴人工智能无人机在没有接到操作人员指令的情况下首次自动攻击人类，攻击对象为一名利比亚撤退中的士兵；7月，美国北方司令部开展第3次全球信息主宰实验，对利用各种基于人工智能/机器学习的决策辅助工具，提升指挥官的行动能力进行测试，美军将以此次实验测试结果为基础，证明人工智能决策工具已做好准备且战斗指挥官迫切需要这种能力；7月，以色列表示将利用数字潜力作为军事指挥的核心，试图通过大力推动国防军的数字化提高在战场上的作战成功率，目标是通过数字化转型将数据和人工智能技术转化为战场上的优势，提升以军的杀伤力；7月，英陆军在北约年度“春季风暴”大型演习中首次使用人工智能技术，其装甲步兵旅通过人工智能赋能，快速处理周围环境和地形信息的大量复杂数据，为用户提供所需信息；8月，美空军全寿命管理中心宣布授予Kratos公司和通用原子公司总额2 020万美元的研制合同[21]，要求两家公司抓紧为“Skyborg”人工智能驾驶无人机研制自主核心系统(ACS)，以确保“Skyborg”无人机在2023年按期转为计划内项目，开始正式转入列装武器装备采办阶段；8月，美海军信息战系统司令部在年度最大规模的“海-空-天博览会”上首次演示验证“周边环境智能谈话接口”(AISI)项目开发的能力，展示了智能化、自然交互技术如何实现未来信息战，该项目通过模块化设计集成了深度学习技术和一系列内部和业界开发的工具，以应对海军环境中的特有挑战；10月，美陆军在“会聚工程2021”作战实验中，开展智能化自主化情报侦察等7个作战场景的演习，对基于云的网络体系、自主目标探测识别和优先级排序、智能化战场态势生成与理解等100多项关键技术进行作战试验。

2 量子信息技术加速发展，全球竞争激烈

2021年，为抢占下一轮颠覆性信息技术的制高点，避免在量子信息竞争时代落后于人，世界主要国家和地区纷纷加大对量子信息领域的投入，持续推进技术发展。

2.1 多国加强顶层战略规划，加大先进技术研发投入

在顶层战略规划方面，1月，美国国家科学技术委员会发布《量子网络研究的协调方法》[22]，确定了《美国量子网络战略愿景》的目标实现途径和需要采取的措施，以加强美国的知识储备并准备使用量子网络；4月，澳大利亚在2021年量子技术挑战赛(QTC 2021)期间发布陆军量子技术路线图[23]，目标是利用澳大利亚在量子技术研究方面的实力获得并保持早期量子优势，为陆军提供未来能力，该路线图确定陆军未来的合作框架，以加速陆军对新兴技术演进的参与；5月，美国会研究服务局发布《国防入门：量子技术》[24]报告，深入探讨量子技术在国防军事领域的应用。

在研发投资方面,2021年1月，法国宣布启动法国量子技术国家战略[25]，并计划5年内在量子信息科学领域投资18亿欧元，其中4.3亿欧元用于未来成熟量子计算机的研究；3月，美国众议院提出两项新量子技术法案，拟议预算分别为3.4亿美元和5亿美元；5月，德国表示将在未来5年内斥资约20亿欧元开发量子计算机及其相关应用技术，大力建设慕尼黑“量子谷”；6月，英国政府与IBM公司宣布一项为期5年、总投入近3亿美元的人工智能和量子计算合作研究计划；7月，加拿大政府表示正制定国家量子战略，将在七年内投资3.6亿加元发展量子技术，提升加拿大在量子研究方面的优势。

2.2 量子计算技术比拼白热化，展现出巨大发展潜力

2021年，离子阱量子计算机、超导量子计算机、光量子计算机研发等均取得重要进展。3月，霍尼韦尔公司宣布其量子计算机System Model H1的量子体积达到512，比2020年9月发布时(128量子体积)提升4倍，该系统的平均单量子比特门保真度为99.991%，平均双量子比特门保真度为99.76%，测量保真度为99.75%，而且所有量子比特实现全连接[26]；以色列国防部与创新局也宣布将启动投资额达6 000万美元项目的招标工作，旨在建造一台30～40比特的量子计算机；4月，美国能源部费米实验室量子研究所研究人员在论文中公布两种新算法，可用比经典计算方法更快的量子速度更准确地描述信息，进一步丰富量子计算机能够解决的问题类型，最终可能会让科学家在某些实验中更快地达到目标灵敏度；10月，中国科学技术大学的研究团队宣布，其成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，并实现了相位可编程功能，完成对用于演示“量子计算优越性”的高斯玻色采样任务的快速求解；11月，IBM公司发布127量子比特Eagle处理器，这是迄今为止全球量子比特规模最大的超导量子计算机[27]；12月，日本NTT和东京大学等机构表示，已开发出采用高独创性计算原理的新型光量子计算机的核心技术，计划到2030年制造出高性能实物机型；同月，Quantinuum公司(霍尼韦尔量子计算部门与剑桥量子合并组建)宣布，由霍尼韦尔提供支持的H系列量子计算机首次测得2048量子体积，再次刷新该公司此前保持的世界纪录，成为量子计算机上测得的历史最高量子体积，H1量子计算机的性能继续实现其2020年3月宣布的每年10倍的增长目标。

2.3 量子通信进展集中在安全保密领域，应用待进一步扩展

2021年，多国加速推进量子网络建设步伐。4月，英国电信和东芝欧洲公司合作，在商业光网络上使用量子密钥分发(QKD)技术实现用于远程制造实时数据安全共享的工业量子安全网络；6月，英美等7国在G7峰会上宣布联合开发名为“联邦量子系统”(FQS)的基于卫星的量子加密网[28]；6月，俄罗斯总统数字和技术发展问题特别代表公开表示已成功研制通信样机，量子通信线路将在10～15年后进入工业使用。量子通信关键技术研发取得多项突破，2月，德国蒙斯特大学研究人员成功研制首个集成单光子探测器的量子密钥分发接收端芯片，该接收端芯片可在电信波段的较宽波长范围运行，支持高度并行的波分复用应用；9月，瑞士日内瓦大学的研究人员利用基于2.5 GHz离散变量量子密钥分发设备实现95 km量子与经典光通信共纤传输试验；10月，东芝欧洲公司开发出世界上首个基于芯片的量子密钥分发(QKD)系统，将光纤电路和器件写入毫米级半导体芯片，该系统比光纤产品体积更小、重量更轻、功耗更低，并且可以进行批量生产，为紧凑型、即插即用的量子设备部署开辟广阔前景，将推动量子安全技术的大规模制造，为安全通信与电子领域的大规模市场应用提供有力支持，并使其能够应用于更广泛的场景，包括物联网解决方案。

2.4 量子测量精度稳步提升、应用场景愈加多元

2021年，量子传感技术取得多项进展。2月，德国弗朗霍夫研究所提出了新的量子照明雷达实现方案，新方案中量子照明雷达所需的时宽带宽积大幅减小；11月，中科大微观磁共振重点实验室与德国亥姆霍兹研究所合作开发出新型超灵敏的量子精密测量技术[29]，并利用该技术进行暗物质的实验直接搜寻，首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。量子测量应用前景逐渐清晰，俄罗斯将量子测量应用于医疗健康领域，8月，莫斯科斯科尔科沃科学技术研究所量子中心和俄罗斯高等经济学院合作开发出一种用于脑部扫描的超灵敏固态磁力计，在同等探测精度下可使脑磁成像的成本降低10倍。

3 云计算顶层战略进一步丰富，建设思路有较大调整

云计算在经历前两年推进缓慢的困难后，2021年迎来新的发展机遇。美国防部制定重要云计算战略，丰富完善其云战略布局，大型云计算建设计划迎来转折，启动新多云建设计划并加紧实施。云技术战场试验与应用也正紧锣密鼓部署实施中。

3.1 美国防部公布新的云计算战略，推动全球布局

5月，美国防部首席信息官办公室发布《美国本土外的国防部云计算战略》[30]文件，确立国防部通过云创新和弹性实现全域优势的战略愿景，分析了将云计算应用于战术层面临的挑战，阐述实施本土外云计算的注意事项和行动计划。该战略强调，云计算技术应用中面临着人机协作、数据存储共享、网络安全等方面挑战，本土外云计算战略以夺取全域作战优势、获取作战信息优势、增强持续创新能力为愿景；同时提出三大目标，包括为战术层提供强大且有弹性的连接，为战术层提供云计算基础设施和能力，在需要的地方部署人才。在本土外云计算战略实施中，需重点考虑与所在国的协调、空间和电力条件的限制、断网等受限环境及状况、与他国合作中的数据主权等四个问题。未来，美国防部将与参谋长联席会议共同领导企业开发本土外云计算战略所需的云架构，并加强投资、协调和确保信息供给。

3.2 美国防部取消原有云计划，开启新多云建设计划

7月，美国防部启动“联合作战云能力”(JWCC)计划[31]，替代原计划为期10年、投资100亿美元的“联合全域防御基础设施”(JEDI)单一云计划。新计划为多云、多承包商方案，将采用分批向多家供应商授出不限交付期、不限数量合同的形式，预计2022年底授出合同，2025年进行环境测试。该计划拟从微软和亚马逊两家公司寻求建议，并与甲骨文、谷歌、IBM、微软等公司商讨，以吸收各家优势，优化云服务质量。“联合作战云能力”计划将支持所有作战域的传感器和信息连接与共享，提升联合全域作战效能。

3.3 美空军启用基于云的新软件，助力分布式作战

5月，美空军第609空中作战中心正式启用基于云的“凯塞尔航线全域作战套件”(KRADOS)[32]。该软件能够简化加油计划的软件包、用于战斗机与轰炸机行动的软件包等9个应用程序，并将其集成到一个基于云的系统，用户可不受地域限制地对其进行访问并将空战资产的可用性关联起来，只需少量人员就能在任何地方快速规划行动并生成空中任务指令。该软件可减少制定空中任务指令所需的人员和生成时间，对支撑空军实现分布式作战具有重要意义，标志着空战中心现代化工作的新起点。

4 数据技术与智能技术互动发展，呈现信息化与智能化融合路径

数据是信息时代的基础性资源。2021年，数据驱动作战应用方面迎来重大进展，新的数据存储技术也取得突破，进一步提升了数据在网信前沿领域的地位。

4.1 数据与人工智能结合，驱动作战指挥决策发展

为确保所有数据可见、可访问、可理解、可连接、可信赖、可互操作且是安全的，6月，美国防部启动“人工智能与数据加速”(AIDA)计划[33]，提出利用数据和人工智能的系统化方法，将通过向11个作战司令部部署技术团队来为构建支持联合全域指挥控制的军事网络做准备，帮助建立联合作战系统，使基于人工智能系统的数据能够快速到达作战人员，真正实现全域指挥控制。该计划是美军实现从“传感器到射手”愿景推进的重要步骤，将帮助美军从根本上形成快速决策反应能力，整合并提升美国防部作战司令部在实际作战中的人工智能能力，继而提升数据利用水平，加快联合全域指挥控制发展应用。

4.2 数据存储技术获突破，DNA存储取得实用性发展

2021年，DNA存储技术领域取得一批实用性成果。1月，美国螺旋生物科技公司宣布在尺寸为1 μm 的硅基芯片上成功合成了含200个碱基对的寡核苷酸(含300 nm的DNA合成纳米孔)，实现碱基对高效合成；4月，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室宣布，在IARPA“分子信息存储”计划支持下，开发出自适应DNA存储编解码器，可将数字二进制文件转换为分子存储所需的四个字母遗传代码，以将大量数据存储在DNA分子中[34]。DNA存储技术的数据存储密度远超传统磁、光介质，且更稳定、数据更安全，是应对数据量持续飞速增长的有效技术方案之一，特别是在海量数据存储、机密数据存储与传递等方面，具有巨大军事应用前景。2021年的一系列进展表明，经过近几年的快速发展，DNA存储技术开始向实用化迈进。

5 区块链技术应用加速推进，已开启军事应用试点

2021年，美军持续开展与区块链公司的创新性合作，试点推进各军兵种应用场景论证落地。4月，美国SIMBA Chain公司获得美国空军快速维修办公室的一份合同[35]，开发一种基于3D打印和区块链技术的解决方案，使美空军能够在外场(包括前向作战地点和海外基地)制造、测试和部署用于飞机和其他武器装备的可替换零件；5月，美陆军作战能力发展司令部C5ISR中心在年度网络现代化实验(NetModX 21)期间，对区块链身份验证解决方案进行测试。5月，美海军向Consensus Networks公司授予价值150万美元的合同[36]，用于开发基于区块链技术的医疗供应链系统HealthNet，该项目使用IoTeX物联网区块链平台和技术赋能的可信硬件“Pebble原石”追踪器，目前开发进程已经过半，2022年将在美国海军进行用例试点，为近70万名海军和海军陆战队人员提供健康实时监测和后勤保障等服务。

6 结 语

网信前沿技术引领了网络信息领域的发展方向，其与传统技术的结合将迸发出新的强大能量，关乎网信领域的未来发展。2021年，网信前沿技术延续快速发展的总体势头，持续吸引各国政府关注和投资，新理论与新技术不断涌现并广泛应用于武器装备、生物医药等领域，取得技术突破的同时也带来了深刻的影响和改变。今后，以人工智能、量子信息为代表的网信前沿技术必将由量变积累至质变飞跃，持续带来各领域的革命性变革。