IBM今日宣布了其本年度的5 in 5(未來(lái)五年五大創(chuàng)新趨勢(shì))技術(shù)預(yù)測(cè)。今年的一系列預(yù)測(cè)主要集中在加速發(fā)現(xiàn)新材料以實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的未來(lái)。我們必須加快探索進(jìn)程,更快速地找到有助益的材料,以此應(yīng)對(duì)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(UN Sustainable Development Goals)中包含的當(dāng)代社會(huì)所面臨的緊迫挑戰(zhàn),從促進(jìn)生成健康和清潔的能源,到增強(qiáng)可持續(xù)性,支持氣候行動(dòng)以及負(fù)責(zé)任的生產(chǎn)等等。

在研究人員與合作伙伴的共同努力下,我們期望未來(lái)五年朝著這一目標(biāo)取得重大進(jìn)展。從IBM 研究院5 in 5預(yù)測(cè)的成功經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,我們有充分的理由保持樂(lè)觀。

以下是一些最新示例,突出展示了我們?cè)趯?shí)現(xiàn)以往的5 in 5預(yù)測(cè)中所取得的進(jìn)展,并為IBM致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng)新解決方案的長(zhǎng)期承諾提供了一些洞察,這些解決方案既可以作為 IBM 產(chǎn)品和服務(wù)來(lái)實(shí)施,也可以與合作伙伴共享,幫助實(shí)現(xiàn)商業(yè)化或進(jìn)一步發(fā)展。

PAIRS“顯宏鏡”幫助進(jìn)行新型冠狀病毒監(jiān)測(cè)

IBM 研究院曾在 2017 年預(yù)測(cè),到 2022 年,我們將使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和軟件來(lái)幫助我們組織有關(guān)物理世界的信息,從而讓我們能夠看到和理解數(shù)十億臺(tái)設(shè)備收集的龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

圖:IBM科學(xué)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(yàn)性“顯宏鏡(Macroscope)”產(chǎn)品。在這種背景下,顯宏鏡是一個(gè)軟件和算法系統(tǒng),旨在將地球上所有的復(fù)雜數(shù)據(jù)整合起來(lái),按照空間和時(shí)間進(jìn)行分析其中的意義。PAIRS是一種獨(dú)特的、以云為中心的地理空間信息和分析服務(wù),可以加快新洞察的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。業(yè)界已成功地將“顯宏鏡”應(yīng)用于某些用例,包括商品交易和電力公用事業(yè)的植被管理。

今年,IBM 研究人員利用 PAIRS 實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型冠狀病毒的影響和響應(yīng)情況的宏觀監(jiān)測(cè)。例如,據(jù)PAIRS對(duì) 2020年3月中旬開(kāi)始在夜間觀測(cè)到的紐約市光線強(qiáng)度的查詢顯示,夜間光線由于商業(yè)活動(dòng)和交通流量的減少而明顯變暗,這可能提供了一個(gè)早期的市場(chǎng)情報(bào)信號(hào)。自疫情爆發(fā)以來(lái),其它與新型冠狀病毒相關(guān)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(xì)述AI 的機(jī)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(xiàng)預(yù)測(cè)是,未來(lái)五年內(nèi),小型自主 AI 顯微鏡將在云中聯(lián)網(wǎng),并部署到世界各地,持續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)人類生存至關(guān)重要的水資源狀況。

自從做出這一預(yù)測(cè),IBM 研究人員一直致力于開(kāi)發(fā)一種端到端的系統(tǒng),其中內(nèi)嵌由人工智能驅(qū)動(dòng)的半自動(dòng)顯微鏡,該顯微鏡可以監(jiān)測(cè)浮游生物,并幫助研究人員將浮游生物的行為與環(huán)境健康聯(lián)系起來(lái)。

圖:IBM研究員兼發(fā)明大師Tom Zimmerman與他的發(fā)明,一個(gè)用于即時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)水體環(huán)境自動(dòng)化AI顯微鏡

作為由國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF) 資助的探索科學(xué)項(xiàng)目的一部分,研究人員發(fā)表了多篇論文(投稿期刊包括《科學(xué)報(bào)告Scientific Report》和 bioRxiv),對(duì)他們所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行了更為詳細(xì)的描述。

人工智能無(wú)需外界監(jiān)督,可以識(shí)別浮游生物,并根據(jù)形態(tài)、形狀和行為對(duì)其進(jìn)行分類。該技術(shù)還能夠自動(dòng)識(shí)別任何異常浮游生物特征,并利用新信息對(duì)自身進(jìn)行重新訓(xùn)練,從而為科學(xué)家提供從數(shù)據(jù)中獲取的最新洞察。

將該工具、異常探測(cè)器和自動(dòng)化裝置整合起來(lái)可以形成一個(gè)能夠分析水樣,并報(bào)告在該水樣中生活的微生物的綜合系統(tǒng)。除此之外,研究人員繼續(xù)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(jī)中,通過(guò)收集樣本和云端共享數(shù)據(jù),來(lái)創(chuàng)建一種可擴(kuò)展的解決方案。

在另一個(gè)涉及人工智能和海洋保護(hù)的獨(dú)立項(xiàng)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(hào)”自主駕駛船(Mayflower Autonomous Ship)正式完工。由人工智能和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的五月花自主船在1620年五月花號(hào)首次駛離英國(guó)的400周年紀(jì)念日這一天從英國(guó)普利茅斯出發(fā),穿越大西洋到達(dá)馬薩諸塞州普利茅斯。該船將在海上長(zhǎng)時(shí)間停留,利用類似于“電子舌頭”的AI傳感器,幫助科學(xué)家收集有關(guān)例如微塑性污染等海洋威脅的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

新合作伙伴就防偽加密錨展開(kāi)合作

2018 年,我們預(yù)測(cè)在未來(lái)五年內(nèi),加密錨(Cryptographic anchors)和區(qū)塊鏈(Blockchain)技術(shù)將能夠從產(chǎn)地到交到客戶手中全程確保產(chǎn)品的真實(shí)性。

圖:由IBM研究員發(fā)明的加密錨原型

IBM 研究院目前正與加密錨供應(yīng)商合作,旨在讓我們的三層系統(tǒng)朝著商業(yè)化目標(biāo)更近一步。其中一家供應(yīng)商是奧地利公司 Authentic Vision,該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出只能生成一次的獨(dú)特全息指紋技術(shù)。該公司的移動(dòng)應(yīng)用可以用于任何配備計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的智能手機(jī),以便讀取全息指紋來(lái)立即驗(yàn)證產(chǎn)品真?zhèn)?。Authentic Vision 利用下一代空心箔材料使其安全標(biāo)簽篡改顯而易見(jiàn),并允許使用智能手機(jī)來(lái)自動(dòng)驗(yàn)證實(shí)物產(chǎn)品的真?zhèn)巍?/p>

IBM 研究院還與加密錨供應(yīng)商 tesa scribos合作,該公司的 tesa ValiGate 產(chǎn)品具備防偽產(chǎn)品標(biāo)識(shí)技術(shù)和防偽自動(dòng)認(rèn)證,且避免人為錯(cuò)誤。這項(xiàng)技術(shù)使實(shí)體產(chǎn)品與其區(qū)塊鏈孿生體能夠安全地自動(dòng)通信,從而為消費(fèi)者和品牌所有者帶來(lái)切實(shí)的好處。

格加密技術(shù)已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)

兩年前,IBM 預(yù)測(cè),到 2023 年,當(dāng)前的安全措施將難以應(yīng)對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)攻擊方法。因?yàn)樽罱K,具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)將能夠快速篩選出密碼組合的概率,甚至可以解密最強(qiáng)大的通用加密算法,從而導(dǎo)致這種基礎(chǔ)安全方法不再適用。

2019 年 8 月,IBM 宣布到 2020 年將開(kāi)始在 IBM 公有云上提供量子安全密碼服務(wù),現(xiàn)已正在提供由 IBM Security 執(zhí)行的量子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(Quantum Risk Assessment),旨在幫助客戶評(píng)估其在量子世界中的風(fēng)險(xiǎn)。此外,IBM 密碼學(xué)家還邁出了商業(yè)化前的重要一步:構(gòu)建了世界上第一個(gè)量子計(jì)算安全企業(yè)級(jí)磁帶的原型。

圖:IBM研究員Cecelia Boschini正在研究一種復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題,可在格加密技術(shù)中用于隱藏?cái)?shù)據(jù),使其不被黑客發(fā)現(xiàn)

基于格的加密技術(shù)是 IBM 量子安全策略的重要組成部分。格加密技術(shù)將數(shù)據(jù)隱藏在稱為格的復(fù)雜代數(shù)結(jié)構(gòu)中。解決這些數(shù)學(xué)問(wèn)題的難度對(duì)密碼學(xué)家來(lái)說(shuō)非常有用,因?yàn)榧词沽孔佑?jì)算機(jī)強(qiáng)大到能夠破解當(dāng)今某些類型的加密技術(shù),他們也可以利用這種難解性來(lái)保護(hù)信息。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST,The National Institute of Standards and Technology) 的量子安全密碼標(biāo)準(zhǔn)最新候選名單就包括一些基于格的加密技術(shù),例如 CRYSTALS。

基于格的加密技術(shù)還是稱為完全同態(tài)加密 Fully Homomorphic Encryption (FHE) 的另一種加密技術(shù)的基礎(chǔ),該技術(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算,但不會(huì)看到敏感數(shù)據(jù)或?qū)⑵浔┞督o黑客。2020 年 7 月,IBM 研究院發(fā)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(gòu)的多個(gè) Linux 版本中。今年早些時(shí)候,IBM 還與巴西的布拉德斯科銀行 (Banco Bradesco SA)聯(lián)合進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn),由該公司對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同態(tài)加密,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在沒(méi)有加密的情況下,也可以運(yùn)行同樣準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),而且性能還不錯(cuò)。因此,銀行和保險(xiǎn)公司等諸多企業(yè)可以安全地將運(yùn)行預(yù)測(cè)的任務(wù)外包給不受信任的環(huán)境,而不必?fù)?dān)心敏感數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

量子計(jì)算已然成型

我們?cè)?2018 年 所做的另一項(xiàng)預(yù)測(cè)是,未來(lái)五年內(nèi)量子計(jì)算的影響將擴(kuò)散到研究實(shí)驗(yàn)室之外,受到新型專業(yè)人士和開(kāi)發(fā)人員的廣泛使用,致力于攻克一度被認(rèn)為無(wú)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(jì)算機(jī)在解決某些數(shù)學(xué)問(wèn)題上比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。我們擴(kuò)大了 IBM Q Network 的全球?qū)W術(shù)和商業(yè)影響力,宣布與葡萄牙米尼奧大學(xué)(Portugal’s Minho University)建立學(xué)術(shù)合作關(guān)系,并將在美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)(North Carolina State University)、德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)(Bundewsehr University-Munich)和法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)(the University of Montpellier)建立 IBM Q 中心,以及宣布日本慶應(yīng)義塾大學(xué)(Japan’s Keio University) IBM Q 中心的首批行業(yè)成員:JSR、三菱日聯(lián)金融集團(tuán) (MUFG,Mitsubishi UFJ Financial Group)、瑞穗金融集團(tuán)(Mizuho Financial Group)和三菱化學(xué)株式會(huì)社(Mitsubishi Chemical)。

此外,IBM Quantum 在硬件和軟件堆棧上也取得了重大進(jìn)展,第四代 20 量子位設(shè)備的平均精度比上一個(gè)版本提高了一倍,并發(fā)布了新的 Qiskit 元素:用于化學(xué)的 Aqua 和用于模擬的 Aer。次年,IBM 推出了全球首個(gè)量子計(jì)算集成系統(tǒng) IBM Q System One。該采用客戶端部署的高級(jí) IBM Q System One 首次使超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)能夠在研究實(shí)驗(yàn)室的范圍之外運(yùn)行。

2020 年 7 月,IBM Quantum 通過(guò) Qiskit Optimization 模塊向無(wú)摩擦量子開(kāi)發(fā)體驗(yàn)邁進(jìn)。該模塊支持使用 IBM Decision Optimization CPLEX 建模工具 DOcplex 輕松高效地對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行建模。新模塊讓程序員看到了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng),一旦量子系統(tǒng)達(dá)到所需的供應(yīng)規(guī)模,量子優(yōu)化就可能對(duì)未來(lái)產(chǎn)生巨大影響。

圖:IBM 量子技術(shù)擴(kuò)展藍(lán)圖一覽,期待擺脫當(dāng)前嘈雜的小型設(shè)備,順利步入百萬(wàn)級(jí)以上量子位設(shè)備時(shí)代

這樣的未來(lái)可能并不遙遠(yuǎn)。在 2020 年的 IBM 量子峰會(huì)上,IBM 公布了其量子技術(shù)路線圖,為我們展示了具有量子優(yōu)勢(shì)的未來(lái)大型全棧量子計(jì)算系統(tǒng)。IBM 科學(xué)家目前正在開(kāi)發(fā)一套正在不斷提升的高性能量子計(jì)算系統(tǒng),目標(biāo)是在2023年底推出采用具有 1,000 多個(gè)量子位,名為 IBM Quantum Condor的量子處理器。這樣清晰的量子優(yōu)勢(shì)愿景預(yù)計(jì)可以在未來(lái)的十年內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。

一種全新塑料回收工藝有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

IBM在2019年曾預(yù)測(cè),在未來(lái)五年內(nèi),Volcat等塑料回收技術(shù)將在全球范圍內(nèi)得到廣泛采用,以應(yīng)對(duì)全球塑料垃圾問(wèn)題。Volcat是IBM研究院使用揮發(fā)性催化劑研發(fā)的一種選擇性消化技術(shù)。舉例來(lái)說(shuō),該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后,消費(fèi)者在雜貨店購(gòu)買一瓶蘇打水或一盒草莓后再也不必?fù)?dān)心塑料包裝問(wèn)題,因?yàn)樗麄冎肋@些塑料包裝會(huì)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(xué)回收工藝,可以將該綠色、消費(fèi)后廢棄物轉(zhuǎn)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(jì)劃啟動(dòng)下一階段工作,推動(dòng)創(chuàng)新型VolCat塑料回收工藝實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。VolCat使用一種良性的有機(jī)催化劑,可以選擇性地將最常見(jiàn)的家用塑料——聚對(duì)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(jì)劃與行業(yè)合作伙伴共同設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)一家試點(diǎn)工廠,用以驗(yàn)證VolCat工藝的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。如果試點(diǎn)成功,這項(xiàng)工藝將被推廣到全球各地的制造工廠。目前,試點(diǎn)工作面臨的最大挑戰(zhàn)是將IBM的千克級(jí)研發(fā)流程應(yīng)用于更大規(guī)模的操作環(huán)境中。這需要確保VolCat能夠連續(xù)且經(jīng)濟(jì)高效地處理大量含有各類雜質(zhì)的塑料廢物。這項(xiàng)技術(shù)如果成功,制造商將可利用分解后產(chǎn)生的單體制造塑料、纖維或薄膜,無(wú)需再使用石油化工物質(zhì)來(lái)制造新的塑料。(作者：Jeff Welser,IBM 研究院探索科學(xué)副總裁)

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