AlphaFold、嗜睡机制、量子通信荣获2023科学突破奖

2022年9月22日，科学突破奖基金会宣布了2023科学突破奖（Breakthrough Prize）的获奖名单。科学突破奖有「科学界的奥斯卡」之称，它表彰在生命科学、基础物理学和数学方面的突破性成就。

• 生命科学突破奖授予了 Clifford P. Brangwynne 和 Anthony A. Hyman；Demis Hassabis 和 John Jumper；Emmanuel Mignot 和柳沢正史（Masashi Yanagisawa）。

• 数学突破奖授予了 Daniel A. Spielman。

• 基础物理学的突破奖则授予了 Charles H. Bennett、Gilles Brassard、David Deutsch 和 Peter Shor。

他们将获得共计高达 1575 万美元的奖金，每个团队 300 万美元。

突破奖是 2012 年起颁发的科学奖项，旨在奖励在生命科学，数学和基础物理学领域有杰出贡献的人士，让他们能像「摇滚明星」一样得到世人的认知，并吸引更多优秀人才投身到科学研究领域。

这三个奖项是由谢尔盖 · 布林、安妮 · 沃西基、马克 · 扎克伯格、普莉希拉 · 陈、尤里 · 米尔纳、茱莉亚 · 米尔纳、马云和张瑛夫妇创立的。2017 年，马化腾也成为该奖项的捐赠人。获奖者会获得三百万美元作为奖金，并且参与电视转播颁奖典礼以庆祝他们的成就并以鼓励其他的科学家。除此之外，获奖者也会被邀请参与演讲与讨论会。

此外，该奖项基金会还设有物理学和数学新视野奖、Maryam Mirzakhani 新前沿奖，授予处于职业生涯早期的研究人员。

从奖金设置上来看，突破奖是科研领域里最高的奖项，堪称「豪华版诺贝尔奖」，又称「科学界的奥斯卡」。

加州大学洛杉矶分校数学教授陶哲轩、德州大学西南医学中心教授陈志坚、哈佛大学教授庄小威、科罗拉多大学物理学教授叶军、香港中文大学教授卢煜明、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳、加利福尼亚大学伯克利分校物理教授陆锦标等人曾获得过该奖项。

生命科学突破奖

人工智能（AI）系统AlphaFold的开发者获得了今年的一个科学突破奖（Breakthrough prizes），奖金300万美元。科学突破奖是科学界奖金最高的荣誉。获奖者Demis Hassabis和John Jumper都来自伦敦的DeepMind，他们发明的这个AI工具能预测地球上近乎所有已知蛋白质的3D结构。

“很少有发现能如此迅速、彻底地改变一个领域，”纽约哥伦比亚大学计算生物学家Mohammed AlQuraishi说，“这绝对改变了结构生物学的研究实践，无论是计算还是实验。”

AlphaFold生根于DeepMind一鸣惊人的AlphaGo。2016年，AlphaGo在首尔打败了围棋高手李世石。“那是游戏AI的登顶时刻，但绝不是它的终点，”Hassabis说，“我想打造能推动科学发现的AI。”从首尔回来的第二天，整个团队就把注意力转向了蛋白质折叠。

2020年11月，该系统在两年一度的CASP大赛（结构预测关键评估）上的夺冠备受瞩目，一下子打败了其他约100个软件程序。AlphaFold的前一个版本曾在2018年的比赛中胜出，但只有微弱的优势，这让团队决定从头开始重新设计。Jumper说：“对于机器学习来说，关键是要掌握好架构（已知底层科学带来的约束）和数据之间的平衡。”

自DeepMind在2021年7月发布了AlphaFold的开源版本[1]，已有逾50万名研究人员使用过这个机器学习系统，并产生了数以千计的论文。今年7月，DeepMind公开了根据氨基酸序列预测得到的2亿个蛋白质结构。目前为止，这些数据已被用来解决从抗生素耐药到作物抗逆性等一系列问题。

“这是非常重要的突破，不仅因为他们开发了这个算法，还因为他们公开了这个算法和所有这些结构，”伦敦大学学院的计算生物学家Christine Orengo说，这项突破的实现也离不开全球科学界贡献的大量蛋白质序列数据。

Hassabis说他对自己获得科学突破奖感到“震惊”，Jumper则表示自己“不敢相信这是真的”。Hassabis打算把部分奖金捐给增加多样性的教育项目，以及针对尼泊尔农村地区的助学计划。

另一个生命科学突破奖被授予两位睡眠科学家：日本筑波大学的Masashi Yanagisawa和美国斯坦福大学的Emmanuel Mignot，奖励他们独立发现了发作性睡病（narcolepsy）是由缺乏名为食欲素（orexin）的大脑化学物质而导致的。

两位研究人员都是“该领域的权威”，他们让这种疾病得以确诊，哥本哈根大学的神经生理学家Birgitte Rahbek Kornum说，“发作性睡病会严重影响生活质量，这能让病人清楚知道是哪里出了问题，而不是只能被告知要‘控制好自己，保持清醒’。”这一发现还推动了治疗药物的研发，这些药物目前正处于临床试验。

Yanagisawa对于获奖“深感荣幸”，并打算用奖金设立一个研究基金。他说：“在日本，对青年科学家的探索性研究缺少稳定的支持。”他说他自己的发现之所以能成功，正是因为他被允许在不保证成功的情况下自由摸索。

第三个生命科学突破奖被授予美国普林斯顿大学的Clifford Brangwynne和德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的Anthony Hyman，奖励他们发现了细胞内物质如何通过分裂成液滴的方式进行自组织。

 

数学突破奖

数学突破奖授予了耶鲁大学的计算机科学、统计学、数据科学和数学、应用数学教授Daniel A. Spielman，以表彰他在理论计算机科学和数学方面的多项发现。

 

Spielman 的工作重申了抽象和基础研究的基本价值，展示了它如何以我们无法预测的方式为生活的许多方面带来影响，为造福现实世界的方法奠定基础。

基金会列举了斯皮尔曼的几项成就，包括他在解决 Kadison-Singer 猜想中的作用，这是一个在长达 50 多年时间内未被解决的数学问题，其本质是问是否可以从一个只能观察或测量一些特征的系统中收集到独特的信息。该解决方案与许多领域相关，包括统计学、纯数学、量子物理学的数学基础和计算机科学。

突破奖基金会还引用了 Spielman 对谱图理论、数值线性代数、优化和编码理论的贡献。

Spielman 的见解和算法不仅对数学具有重要意义，而且对计算、信号处理、工程甚至临床试验设计等实际问题也具有重要意义。

Spielman 表示，他的大部分工作都集中在设计更快的算法来求解线性方程组，然后利用这些算法更快地执行其他任务。他表示，获得突破奖是「一项巨大的荣誉，而且有点过誉了」。

基础物理学突破奖

基础物理学突破奖用以奖励在基础物理学有重大成就的物理学家，尤其是较近期的发现和成就。不同领域的物理学家，包括理论物理学、数学物理学和实验物理学，均可得奖。

今年的基础物理学突破奖表彰了四位将数学、计算机科学和物理学相结合，在「量子信息领域开展基础工作」的先驱。该奖项由IBM Fellow Charles Bennett、蒙特利尔大学物理学家 Gilles Brassard、牛津大学物理学家 David Deutsch 和麻省理工学院教授 Peter Shor分享。

「这四位科学家为量子信息理论的出现做出了重大贡献，」日内瓦大学的实验量子物理学家 Nicolas Gisin 说道，「他们获奖是众望所归。」

从广义上讲，量子信息理论是两种理论的结合：量子力学——描述原子和亚原子世界的反直觉行为，以及信息论——它详细说明计算和通信的数学和物理限制。它的历史是一个混乱的故事，零星的进步常常被传统的科学期刊所忽视。

与金融等行业当前常用的方法不同，美国物理学家 Charles H.Bennett 和加拿大密码学家 Gilles Brassard 提出的 BB84 协议即使是拥有无限计算能力的窃密者也无法破解（BB84 得名于两人姓的首字母和提出年份）。他们在 1993 年与合作者共同发现了量子隐形传态，表明纠缠是一种有用的可量化资源，尽管它本身没有通信能力，从而帮助启动了量子信息处理的新科学。

David Deutsch 奠定了量子计算的基础。他定义了图灵机的量子版本——一种通用量子计算机，并证明它可以以任意精度模拟任何遵守量子力学定律的物理系统。他表明，这样的计算机相当于一个由数量惊人的量子门组成的网络——同时利用纠缠和许多状态的量子叠加的逻辑门。他设计了第一个超越最佳等效经典算法的量子算法。

Peter Shor 在此基础上发明了第一个明显可用的量子计算机算法。Shor 的算法可以比任何经典算法更快地找到大数的因子。他还设计了量子计算机中的纠错技术——这比在经典计算机中要困难得多，在经典计算机中，我们仅需简单的冗余。这些想法不仅为当今快速发展的量子计算机铺平了道路，他们也将基础物理学的前沿推进了一步，特别是在计量学（测量科学）和量子引力研究方面。

“得知自己获奖让我很惊讶，”Shor说，“其他人也做了大量工作。”1990年代，Shor开发出了第一个有潜在应用价值的量子算法，这个算法有望让量子计算机将大数快速分解成它们的质因数[2]。这让破解保障当今互联网安全、基于大素数的加密代码成为了可能。“这一重大成果证明了量子计算机并不只是学术界的另一个好奇心而已。”牛津大学量子物理学家Nikita Gourianov说道。

参考文献：

https://breakthroughprize.org/News/73