IBM今日宣布了其本年度的5 in 5(未來五年五大創新趨勢)技術預測。今年的一系列預測主要集中在加速發現新材料以實現更可持續的未來。我們必須加快探索進程,更快速地找到有助益的材料,以此應對聯合國可持續發展目標(UN Sustainable Development Goals)中包含的當代社會所面臨的緊迫挑戰,從促進生成健康和清潔的能源,到增強可持續性,支持氣候行動以及負責任的生產等等。
在研究人員與合作伙伴的共同努力下,我們期望未來五年朝著這一目標取得重大進展。從IBM 研究院5 in 5預測的成功經驗來看,我們有充分的理由保持樂觀。
以下是一些最新示例,突出展示了我們在實現以往的5 in 5預測中所取得的進展,并為IBM致力于開發創新解決方案的長期承諾提供了一些洞察,這些解決方案既可以作為 IBM 產品和服務來實施,也可以與合作伙伴共享,幫助實現商業化或進一步發展。
PAIRS“顯宏鏡”幫助進行新型冠狀病毒監測
IBM 研究院曾在 2017 年預測,到 2022 年,我們將使用機器學習算法和軟件來幫助我們組織有關物理世界的信息,從而讓我們能夠看到和理解數十億臺設備收集的龐大而復雜的數據。
圖:IBM科學家Xiaoyuan Shao(左)和Conrad Albrect(右)正在使用IBM PAIRS Geoscope
次年,IBM 研究院推出了名為 IBM PAIRS Geoscope 的試驗性“顯宏鏡(Macroscope)”產品。在這種背景下,顯宏鏡是一個軟件和算法系統,旨在將地球上所有的復雜數據整合起來,按照空間和時間進行分析其中的意義。PAIRS是一種獨特的、以云為中心的地理空間信息和分析服務,可以加快新洞察的發現過程。業界已成功地將“顯宏鏡”應用于某些用例,包括商品交易和電力公用事業的植被管理。
今年,IBM 研究人員利用 PAIRS 實現了對新型冠狀病毒的影響和響應情況的宏觀監測。例如,據PAIRS對 2020年3月中旬開始在夜間觀測到的紐約市光線強度的查詢顯示,夜間光線由于商業活動和交通流量的減少而明顯變暗,這可能提供了一個早期的市場情報信號。自疫情爆發以來,其它與新型冠狀病毒相關的查詢顯示,全球主要人口中心的二氧化碳排放量急劇下降。
細述AI 的機器人顯微鏡如何幫助我們清潔被污染的海洋
IBM 在 2018 年 的其中一項預測是,未來五年內,小型自主 AI 顯微鏡將在云中聯網,并部署到世界各地,持續監測對人類生存至關重要的水資源狀況。
自從做出這一預測,IBM 研究人員一直致力于開發一種端到端的系統,其中內嵌由人工智能驅動的半自動顯微鏡,該顯微鏡可以監測浮游生物,并幫助研究人員將浮游生物的行為與環境健康聯系起來。
圖:IBM研究員兼發明大師Tom Zimmerman與他的發明,一個用于即時持續監測水體環境自動化AI顯微鏡
作為由國家科學基金會 (NSF) 資助的探索科學項目的一部分,研究人員發表了多篇論文(投稿期刊包括《科學報告Scientific Report》和 bioRxiv),對他們所開發的系統進行了更為詳細的描述。
人工智能無需外界監督,可以識別浮游生物,并根據形態、形狀和行為對其進行分類。該技術還能夠自動識別任何異常浮游生物特征,并利用新信息對自身進行重新訓練,從而為科學家提供從數據中獲取的最新洞察。
將該工具、異常探測器和自動化裝置整合起來可以形成一個能夠分析水樣,并報告在該水樣中生活的微生物的綜合系統。除此之外,研究人員繼續致力于制造一種低成本、低功耗的裝置,該裝置可以整合到自主式水下滑翔機中,通過收集樣本和云端共享數據,來創建一種可擴展的解決方案。
在另一個涉及人工智能和海洋保護的獨立項目中,IBM 還與海洋研究組織 Promare 合作,于今年 9 月宣布“五月花號”自主駕駛船(Mayflower Autonomous Ship)正式完工。由人工智能和太陽能驅動的五月花自主船在1620年五月花號首次駛離英國的400周年紀念日這一天從英國普利茅斯出發,穿越大西洋到達馬薩諸塞州普利茅斯。該船將在海上長時間停留,利用類似于“電子舌頭”的AI傳感器,幫助科學家收集有關例如微塑性污染等海洋威脅的關鍵數據。
新合作伙伴就防偽加密錨展開合作
2018 年,我們預測在未來五年內,加密錨(Cryptographic anchors)和區塊鏈(Blockchain)技術將能夠從產地到交到客戶手中全程確保產品的真實性。
圖:由IBM研究員發明的加密錨原型
IBM 研究院目前正與加密錨供應商合作,旨在讓我們的三層系統朝著商業化目標更近一步。其中一家供應商是奧地利公司 Authentic Vision,該公司已經開發出只能生成一次的獨特全息指紋技術。該公司的移動應用可以用于任何配備計算機視覺技術的智能手機,以便讀取全息指紋來立即驗證產品真偽。Authentic Vision 利用下一代空心箔材料使其安全標簽篡改顯而易見,并允許使用智能手機來自動驗證實物產品的真偽。
IBM 研究院還與加密錨供應商 tesa scribos合作,該公司的 tesa ValiGate 產品具備防偽產品標識技術和防偽自動認證,且避免人為錯誤。這項技術使實體產品與其區塊鏈孿生體能夠安全地自動通信,從而為消費者和品牌所有者帶來切實的好處。
格加密技術已達到標準
兩年前,IBM 預測,到 2023 年,當前的安全措施將難以應對新的網絡攻擊方法。因為最終,具有數百萬個量子位的容錯通用量子計算機將能夠快速篩選出密碼組合的概率,甚至可以解密最強大的通用加密算法,從而導致這種基礎安全方法不再適用。
2019 年 8 月,IBM 宣布到 2020 年將開始在 IBM 公有云上提供量子安全密碼服務,現已正在提供由 IBM Security 執行的量子風險評估(Quantum Risk Assessment),旨在幫助客戶評估其在量子世界中的風險。此外,IBM 密碼學家還邁出了商業化前的重要一步:構建了世界上第一個量子計算安全企業級磁帶的原型。
圖:IBM研究員Cecelia Boschini正在研究一種復雜的數學問題,可在格加密技術中用于隱藏數據,使其不被黑客發現
基于格的加密技術是 IBM 量子安全策略的重要組成部分。格加密技術將數據隱藏在稱為格的復雜代數結構中。解決這些數學問題的難度對密碼學家來說非常有用,因為即使量子計算機強大到能夠破解當今某些類型的加密技術,他們也可以利用這種難解性來保護信息。美國國家標準與技術研究所 (NIST,The National Institute of Standards and Technology) 的量子安全密碼標準最新候選名單就包括一些基于格的加密技術,例如 CRYSTALS。
基于格的加密技術還是稱為完全同態加密 Fully Homomorphic Encryption (FHE) 的另一種加密技術的基礎,該技術可以對數據執行計算,但不會看到敏感數據或將其暴露給黑客。2020 年 7 月,IBM 研究院發布了適用于 Mac、iOS 和 Linux 的新 FHE 工具包,將 FHE 引入到了面向 IBM Z 和 x86 架構的多個 Linux 版本中。今年早些時候,IBM 還與巴西的布拉德斯科銀行 (Banco Bradesco SA)聯合進行了一項試驗,由該公司對數據進行了同態加密,結果發現,在沒有加密的情況下,也可以運行同樣準確的預測,而且性能還不錯。因此,銀行和保險公司等諸多企業可以安全地將運行預測的任務外包給不受信任的環境,而不必擔心敏感數據泄露的風險。
量子計算已然成型
我們在 2018 年 所做的另一項預測是,未來五年內量子計算的影響將擴散到研究實驗室之外,受到新型專業人士和開發人員的廣泛使用,致力于攻克一度被認為無法解決的難題。
同年,IBM 研究人員還利用淺量子電路證明了量子計算機在解決某些數學問題上比經典計算機具有優勢。我們擴大了 IBM Q Network 的全球學術和商業影響力,宣布與葡萄牙米尼奧大學(Portugal’s Minho University)建立學術合作關系,并將在美國北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)、德國慕尼黑聯邦國防軍大學(Bundewsehr University-Munich)和法國蒙彼利埃大學(the University of Montpellier)建立 IBM Q 中心,以及宣布日本慶應義塾大學(Japan’s Keio University) IBM Q 中心的首批行業成員:JSR、三菱日聯金融集團 (MUFG,Mitsubishi UFJ Financial Group)、瑞穗金融集團(Mizuho Financial Group)和三菱化學株式會社(Mitsubishi Chemical)。
此外,IBM Quantum 在硬件和軟件堆棧上也取得了重大進展,第四代 20 量子位設備的平均精度比上一個版本提高了一倍,并發布了新的 Qiskit 元素:用于化學的 Aqua 和用于模擬的 Aer。次年,IBM 推出了全球首個量子計算集成系統 IBM Q System One。該采用客戶端部署的高級 IBM Q System One 首次使超導量子計算機能夠在研究實驗室的范圍之外運行。
2020 年 7 月,IBM Quantum 通過 Qiskit Optimization 模塊向無摩擦量子開發體驗邁進。該模塊支持使用 IBM Decision Optimization CPLEX 建模工具 DOcplex 輕松高效地對優化問題進行建模。新模塊讓程序員看到了廣闊的應用市場,一旦量子系統達到所需的供應規模,量子優化就可能對未來產生巨大影響。
圖:IBM 量子技術擴展藍圖一覽,期待擺脫當前嘈雜的小型設備,順利步入百萬級以上量子位設備時代
這樣的未來可能并不遙遠。在 2020 年的 IBM 量子峰會上,IBM 公布了其量子技術路線圖,為我們展示了具有量子優勢的未來大型全棧量子計算系統。IBM 科學家目前正在開發一套正在不斷提升的高性能量子計算系統,目標是在2023年底推出采用具有 1,000 多個量子位,名為 IBM Quantum Condor的量子處理器。這樣清晰的量子優勢愿景預計可以在未來的十年內得以實現。
一種全新塑料回收工藝有望實現商業化
IBM在2019年曾預測,在未來五年內,Volcat等塑料回收技術將在全球范圍內得到廣泛采用,以應對全球塑料垃圾問題。Volcat是IBM研究院使用揮發性催化劑研發的一種選擇性消化技術。舉例來說,該技術得到廣泛應用后,消費者在雜貨店購買一瓶蘇打水或一盒草莓后再也不必擔心塑料包裝問題,因為他們知道這些塑料包裝會被重新利用并回歸貨架,而不是流入海洋。
使用IBM研究院的VolCat化學回收工藝,可以將該綠色、消費后廢棄物轉化為純PET單體,即世界上最常用的塑料聚合物。
今年,IBM研究院計劃啟動下一階段工作,推動創新型VolCat塑料回收工藝實現商業化。VolCat使用一種良性的有機催化劑,可以選擇性地將最常見的家用塑料——聚對苯二甲酸乙二酯(PET)——分解為單體成分。提純后的單體可以很容易地重新聚合成新的PET。
IBM研究院計劃與行業合作伙伴共同設計、建造和運營一家試點工廠,用以驗證VolCat工藝的可擴展性和經濟性。如果試點成功,這項工藝將被推廣到全球各地的制造工廠。目前,試點工作面臨的最大挑戰是將IBM的千克級研發流程應用于更大規模的操作環境中。這需要確保VolCat能夠連續且經濟高效地處理大量含有各類雜質的塑料廢物。這項技術如果成功,制造商將可利用分解后產生的單體制造塑料、纖維或薄膜,無需再使用石油化工物質來制造新的塑料。(作者:Jeff Welser,IBM 研究院探索科學副總裁)
