IBM今日宣布了其本年度的5 in 5(未来五年五大创新趋势)技术预测。今年的一系列预测主要集中在加速发现新材料以实现更可持续的未来。我们必须加快探索进程,更快速地找到有助益的材料,以此应对联合国可持续发展目标(UN Sustainable Development Goals)中包含的当代社会所面临的紧迫挑战,从促进生成健康和清洁的能源,到增强可持续性,支持气候行动以及负责任的生产等等。
在研究人员与合作伙伴的共同努力下,我们期望未来五年朝着这一目标取得重大进展。从IBM 研究院5 in 5预测的成功经验来看,我们有充分的理由保持乐观。
以下是一些最新示例,突出展示了我们在实现以往的5 in 5预测中所取得的进展,并为IBM致力于开发创新解决方案的长期承诺提供了一些洞察,这些解决方案既可以作为 IBM 产品和服务来实施,也可以与合作伙伴共享,帮助实现商业化或进一步发展。
PAIRS“显宏镜”帮助进行新型冠状病毒监测
IBM 研究院曾在 2017 年预测,到 2022 年,我们将使用机器学习算法和软件来帮助我们组织有关物理世界的信息,从而让我们能够看到和理解数十亿台设备收集的庞大而复杂的数据。
图:IBM科学家Xiaoyuan Shao(左)和Conrad Albrect(右)正在使用IBM PAIRS Geoscope
次年,IBM 研究院推出了名为 IBM PAIRS Geoscope 的试验性“显宏镜(Macroscope)”产品。在这种背景下,显宏镜是一个软件和算法系统,旨在将地球上所有的复杂数据整合起来,按照空间和时间进行分析其中的意义。PAIRS是一种独特的、以云为中心的地理空间信息和分析服务,可以加快新洞察的发现过程。业界已成功地将“显宏镜”应用于某些用例,包括商品交易和电力公用事业的植被管理。
今年,IBM 研究人员利用 PAIRS 实现了对新型冠状病毒的影响和响应情况的宏观监测。例如,据PAIRS对 2020年3月中旬开始在夜间观测到的纽约市光线强度的查询显示,夜间光线由于商业活动和交通流量的减少而明显变暗,这可能提供了一个早期的市场情报信号。自疫情爆发以来,其它与新型冠状病毒相关的查询显示,全球主要人口中心的二氧化碳排放量急剧下降。
细述AI 的机器人显微镜如何帮助我们清洁被污染的海洋
IBM 在 2018 年 的其中一项预测是,未来五年内,小型自主 AI 显微镜将在云中联网,并部署到世界各地,持续监测对人类生存至关重要的水资源状况。
自从做出这一预测,IBM 研究人员一直致力于开发一种端到端的系统,其中内嵌由人工智能驱动的半自动显微镜,该显微镜可以监测浮游生物,并帮助研究人员将浮游生物的行为与环境健康联系起来。
图:IBM研究员兼发明大师Tom Zimmerman与他的发明,一个用于即时持续监测水体环境自动化AI显微镜
作为由国家科学基金会 (NSF) 资助的探索科学项目的一部分,研究人员发表了多篇论文(投稿期刊包括《科学报告Scientific Report》和 bioRxiv),对他们所开发的系统进行了更为详细的描述。
人工智能无需外界监督,可以识别浮游生物,并根据形态、形状和行为对其进行分类。该技术还能够自动识别任何异常浮游生物特征,并利用新信息对自身进行重新训练,从而为科学家提供从数据中获取的最新洞察。
将该工具、异常探测器和自动化装置整合起来可以形成一个能够分析水样,并报告在该水样中生活的微生物的综合系统。除此之外,研究人员继续致力于制造一种低成本、低功耗的装置,该装置可以整合到自主式水下滑翔机中,通过收集样本和云端共享数据,来创建一种可扩展的解决方案。
在另一个涉及人工智能和海洋保护的独立项目中,IBM 还与海洋研究组织 Promare 合作,于今年 9 月宣布“五月花号”自主驾驶船(Mayflower Autonomous Ship)正式完工。由人工智能和太阳能驱动的五月花自主船在1620年五月花号首次驶离英国的400周年纪念日这一天从英国普利茅斯出发,穿越大西洋到达马萨诸塞州普利茅斯。该船将在海上长时间停留,利用类似于“电子舌头”的AI传感器,帮助科学家收集有关例如微塑性污染等海洋威胁的关键数据。
新合作伙伴就防伪加密锚展开合作
2018 年,我们预测在未来五年内,加密锚(Cryptographic anchors)和区块链(Blockchain)技术将能够从产地到交到客户手中全程确保产品的真实性。
图:由IBM研究员发明的加密锚原型
IBM 研究院目前正与加密锚供应商合作,旨在让我们的三层系统朝着商业化目标更近一步。其中一家供应商是奥地利公司 Authentic Vision,该公司已经开发出只能生成一次的独特全息指纹技术。该公司的移动应用可以用于任何配备计算机视觉技术的智能手机,以便读取全息指纹来立即验证产品真伪。Authentic Vision 利用下一代空心箔材料使其安全标签篡改显而易见,并允许使用智能手机来自动验证实物产品的真伪。
IBM 研究院还与加密锚供应商 tesa scribos合作,该公司的 tesa ValiGate 产品具备防伪产品标识技术和防伪自动认证,且避免人为错误。这项技术使实体产品与其区块链孪生体能够安全地自动通信,从而为消费者和品牌所有者带来切实的好处。
格加密技术已达到标准
两年前,IBM 预测,到 2023 年,当前的安全措施将难以应对新的网络攻击方法。因为最终,具有数百万个量子位的容错通用量子计算机将能够快速筛选出密码组合的概率,甚至可以解密最强大的通用加密算法,从而导致这种基础安全方法不再适用。
2019 年 8 月,IBM 宣布到 2020 年将开始在 IBM 公有云上提供量子安全密码服务,现已正在提供由 IBM Security 执行的量子风险评估(Quantum Risk Assessment),旨在帮助客户评估其在量子世界中的风险。此外,IBM 密码学家还迈出了商业化前的重要一步:构建了世界上第一个量子计算安全企业级磁带的原型。
图:IBM研究员Cecelia Boschini正在研究一种复杂的数学问题,可在格加密技术中用于隐藏数据,使其不被黑客发现
基于格的加密技术是 IBM 量子安全策略的重要组成部分。格加密技术将数据隐藏在称为格的复杂代数结构中。解决这些数学问题的难度对密码学家来说非常有用,因为即使量子计算机强大到能够破解当今某些类型的加密技术,他们也可以利用这种难解性来保护信息。美国国家标准与技术研究所 (NIST,The National Institute of Standards and Technology) 的量子安全密码标准最新候选名单就包括一些基于格的加密技术,例如 CRYSTALS。
基于格的加密技术还是称为完全同态加密 Fully Homomorphic Encryption (FHE) 的另一种加密技术的基础,该技术可以对数据执行计算,但不会看到敏感数据或将其暴露给黑客。2020 年 7 月,IBM 研究院发布了适用于 Mac、iOS 和 Linux 的新 FHE 工具包,将 FHE 引入到了面向 IBM Z 和 x86 架构的多个 Linux 版本中。今年早些时候,IBM 还与巴西的布拉德斯科银行 (Banco Bradesco SA)联合进行了一项试验,由该公司对数据进行了同态加密,结果发现,在没有加密的情况下,也可以运行同样准确的预测,而且性能还不错。因此,银行和保险公司等诸多企业可以安全地将运行预测的任务外包给不受信任的环境,而不必担心敏感数据泄露的风险。
量子计算已然成型
我们在 2018 年 所做的另一项预测是,未来五年内量子计算的影响将扩散到研究实验室之外,受到新型专业人士和开发人员的广泛使用,致力于攻克一度被认为无法解决的难题。
同年,IBM 研究人员还利用浅量子电路证明了量子计算机在解决某些数学问题上比经典计算机具有优势。我们扩大了 IBM Q Network 的全球学术和商业影响力,宣布与葡萄牙米尼奥大学(Portugal’s Minho University)建立学术合作关系,并将在美国北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)、德国慕尼黑联邦国防军大学(Bundewsehr University-Munich)和法国蒙彼利埃大学(the University of Montpellier)建立 IBM Q 中心,以及宣布日本庆应义塾大学(Japan’s Keio University) IBM Q 中心的首批行业成员:JSR、三菱日联金融集团 (MUFG,Mitsubishi UFJ Financial Group)、瑞穗金融集团(Mizuho Financial Group)和三菱化学株式会社(Mitsubishi Chemical)。
此外,IBM Quantum 在硬件和软件堆栈上也取得了重大进展,第四代 20 量子位设备的平均精度比上一个版本提高了一倍,并发布了新的 Qiskit 元素:用于化学的 Aqua 和用于模拟的 Aer。次年,IBM 推出了全球首个量子计算集成系统 IBM Q System One。该采用客户端部署的高级 IBM Q System One 首次使超导量子计算机能够在研究实验室的范围之外运行。
2020 年 7 月,IBM Quantum 通过 Qiskit Optimization 模块向无摩擦量子开发体验迈进。该模块支持使用 IBM Decision Optimization CPLEX 建模工具 DOcplex 轻松高效地对优化问题进行建模。新模块让程序员看到了广阔的应用市场,一旦量子系统达到所需的供应规模,量子优化就可能对未来产生巨大影响。
图:IBM 量子技术扩展蓝图一览,期待摆脱当前嘈杂的小型设备,顺利步入百万级以上量子位设备时代
这样的未来可能并不遥远。在 2020 年的 IBM 量子峰会上,IBM 公布了其量子技术路线图,为我们展示了具有量子优势的未来大型全栈量子计算系统。IBM 科学家目前正在开发一套正在不断提升的高性能量子计算系统,目标是在2023年底推出采用具有 1,000 多个量子位,名为 IBM Quantum Condor的量子处理器。这样清晰的量子优势愿景预计可以在未来的十年内得以实现。
一种全新塑料回收工艺有望实现商业化
IBM在2019年曾预测,在未来五年内,Volcat等塑料回收技术将在全球范围内得到广泛采用,以应对全球塑料垃圾问题。Volcat是IBM研究院使用挥发性催化剂研发的一种选择性消化技术。举例来说,该技术得到广泛应用后,消费者在杂货店购买一瓶苏打水或一盒草莓后再也不必担心塑料包装问题,因为他们知道这些塑料包装会被重新利用并回归货架,而不是流入海洋。
使用IBM研究院的VolCat化学回收工艺,可以将该绿色、消费后废弃物转化为纯PET单体,即世界上最常用的塑料聚合物。
今年,IBM研究院计划启动下一阶段工作,推动创新型VolCat塑料回收工艺实现商业化。VolCat使用一种良性的有机催化剂,可以选择性地将最常见的家用塑料——聚对苯二甲酸乙二酯(PET)——分解为单体成分。提纯后的单体可以很容易地重新聚合成新的PET。
IBM研究院计划与行业合作伙伴共同设计、建造和运营一家试点工厂,用以验证VolCat工艺的可扩展性和经济性。如果试点成功,这项工艺将被推广到全球各地的制造工厂。目前,试点工作面临的最大挑战是将IBM的千克级研发流程应用于更大规模的操作环境中。这需要确保VolCat能够连续且经济高效地处理大量含有各类杂质的塑料废物。这项技术如果成功,制造商将可利用分解后产生的单体制造塑料、纤维或薄膜,无需再使用石油化工物质来制造新的塑料。(作者：Jeff Welser,IBM 研究院探索科学副总裁)
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