過去「未來五年五大創新趨勢」現在發展情況?

作者 : Jeff Welser,IBM研究院探索科學副總裁

IBM宣佈本年度的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題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,到強化可持續性,支援氣候行動,以及負責任的生產等等。

在研究人員與合作夥伴的共同努力下,IBM期望未來五年朝著這一目標能有重大進展。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。

以下是一些最新例子,充分顯示我們在實現以往的5 in 5預測中所獲得的進展,並為IBM致力於開發創新解決方案的長期承諾提供洞察,這些解決方案既可以作為IBM產品和服務來執行,也可以與合作夥伴共用,幫助實現商業化或進一步發展。

PAIRS宏觀顯微鏡(macroscope)協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演算法和軟體來説明我們整理有關實體世界的資訊,從而讓我們能夠看到和理解從數十億台裝置收集龐大而複雜的資料。

IBM科學家Xiaoyuan Shao (左)和Conrad Albrect (右)正在使用IBM PAIRS Geoscope服務。

次年,IBM研究院推出了名為IBM PAIRS Geoscope的試驗性宏觀顯微鏡產品。在這種背景下,宏觀顯微鏡是一個軟體和演算法系統,旨在將地球上所有的複雜資料整合,按照空間和時間進行分析其中的意義。PAIRS是一種獨特的、以雲為中心的地理空間資訊和分析服務,可以加快新洞察的發現過程。業界已成功地將宏觀顯微鏡用於某些場景,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實現對新型冠狀病毒的影響和回應情況的宏觀監測。例如,PAIRS在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,夜間光線由於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訊號。自疫情爆發以來,其他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顯微鏡將在雲端中連網,並部署到世界各地,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研究人員一直致力於開發一種端到端的系統,其中內建由人工智慧驅動的半自動顯微鏡,該顯微鏡可以監測浮游生物,並幫助研究人員將浮游生物的行為與環境健康聯繫起來。

IBM研究員兼發明大師Tom Zimmerman與他的發明,一個用於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)資助的探索科學專案的一部分,研究人員發表了多篇論文(投稿期刊包括《科學報告Scientific Report》bioRxiv),對他們所開發的系統進行了更為詳細的描述。

AI無需外界監督,可以辨識浮游生物,並根據形態、形狀和行為對其進行分類。該技術還能夠自動辨識任何異常浮游生物特徵,並利用新資訊對自身進行重新訓練,從而為科學家提供從資料中獲取的最新洞察。

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本,並報告在該水樣本中生活的微生物的綜合系統。除此之外,研究人員繼續致力於製造一種低成本、低功耗的裝置,該裝置可以整合到自主式水下滑翔機中,通過收集樣本和雲端共用資料,來創建一種可擴展的解決方案。

在另一個涉及AI和海洋保護的獨立專案中,IBM還與海洋研究組織Promare合作,於今年9月宣佈五月花號自主駕駛船(Mayflower Autonomous Ship)正式完工。由AI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,穿越大西洋到達麻塞諸塞州普利茅斯。該船將在海上長時間停留,利用類似於「電子舌頭」的AI感測器,幫助科學家收集有關例如微塑性污染等海洋威脅的關鍵資料。

新合作夥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。

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,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像指紋技術。該公司的行動應用可以用於任何配備電腦視覺技術的智慧手機,以便讀取全像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籤篡改顯而易見,並允許使用智慧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訊,從而為消費者和品牌所有者帶來切實的好處。

點陣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路攻擊方法。因為最終,具有數百萬個量子位元的容錯通用量子電腦將能夠快速篩選出密碼組合的機率,甚至可以解密最強大的通用加密演算法,從而導致這種基礎安全方法不再適用。

2019年8月,IBM宣佈到2020年將開始在IBM公有雲上提供量子安全密碼服務,現正提供由IBM Security執行的量子風險評估(Quantum Risk Assessment),協助客戶評估其在量子世界中的風險。此外,IBM密碼學家還邁出商業化前的重要一步:構建了世界上第一個量子運算安全企業級磁帶的原型。

IBM研究員Cecelia Boschin正在研究複雜的數學問題,可在點陣加密技術中用於隱藏資料,使其不被駭客發現。

以點陣為基礎的加密技術是IBM量子安全性原則的重要組成部分。點陣加密技術將資料隱藏在稱為點陣(Lattices)的複雜代數結構中。解決這些數學問題的難度對密碼學家來說非常有用,因為即使量子電腦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資訊。美國國家標準與技術研究所(The National Institute of Standards and Technology,NIST)的量子安全密碼標準最新候選名單就包括一些基於點陣的加密技術,例如CRYSTALS。

點陣為基礎的加密技術還是另一種加密技術稱為完全同態加密(Fully Homomorphic Encryption,FHE)的基礎,該技術可以對資料執行運算,但不會看到敏感性資料或將其暴露給駭客。2020年7月,IBM研究院發布了適用於Mac、iOS和Linux的新FHE工具包,將FHE引入到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)聯合進行一項試驗,由該公司對資料進行了同態加密,結果發現,在沒有加密的情況下,也可以運作同樣準確的預測,而且效能還不錯。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,而不必擔心敏感性資料洩露的風險。

量子運算已然成型

IBM在2018年所做的另一項預測是,未來五年內量子運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,致力於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電腦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)建立學術合作關係,並將在美國北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)、德國慕尼克聯邦國防軍大學(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中心的首批產業成員:JSR、三菱日聯金融集團(Mitsubishi UFJ Financial Group,MUFG)、瑞穗金融集團(Mizuho Financial Group)和三菱化學株式會社(Mitsubishi Chemical)。

此外,IBM Quantum在硬體和軟體堆疊上也取得了重大進展,第四代20量子位元設備的平均精準性比上一個版本提高了一倍,並發布了新的Qiskit元素:用於化學的Aqua和用於類比的Aer。次年,IBM推出了全球首個量子運算整合系統IBM Q System One。用戶端部署、獨特的IBM Q System One首次使超導量子電腦能夠在研究實驗室的範圍之外運作。

2020年7月,IBM Quantum透過Qiskit Optimization模組向無摩擦量子開發體驗邁進。該模組支援使用IBM Decision Optimization CPLEX建模工具DOcplex有效地對最佳化問題進行建模。新模組讓程式師可以看到廣闊的應用市場,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。

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元設備時代。

這樣的未來可能並不遙遠。在2020年的IBM量子峰會上,IBM公佈其量子技術路線圖,展示具有量子優勢的未來大型全端(full stack)量子運算系統。IBM科學家目前正在開發一套正在不斷提升的高效能量子運算系統,目標是在2023年底推出採用具有1,000多個量子位元,名為IBM Quantum Condor的量子處理器。這樣清晰的量子優勢願景預計可以在未來的十年內實現。

一種全新塑膠回收製程可望實現商業化

IBM在2019年曾預測,在未來五年內,Volcat等塑膠回收技術將在全球獲廣泛採用,以應對全球塑膠垃圾問題。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後,消費者在雜貨店購買一瓶蘇打水或一盒草莓後再也不必擔心塑膠包裝問題,因為他們知道這些塑膠包裝會被重新利用並回歸貨架,而不是流入海洋。

使用IBM研究院的VolCat化學回收製程,可以將該綠色、消費後廢棄物轉化為純PET單體,即世界上最常用的塑膠聚合物。

今年,IBM研究院計畫啟動下一階段工作,推動創新型VolCat塑膠回收製程實現商業化。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膠——聚對苯二甲酸乙二酯(PET)——分解為單體成分,純化後的單體可以很容易地重新聚合成新的PET。

IBM研究院計畫與產業合作夥伴共同設計、建造和營運一家試點工廠,用以驗證VolCat製程的可擴展性和經濟性。如果試點成功,這項製程將被推廣到全球各地的製造工廠。目前,試點工作面臨的最大挑戰是將IBM的大規模(kilogram-scale)研發流程應用於更大規模的操作環境中。這需要確保VolCat能夠連續且經濟有效地處理大量含有各類雜質的塑膠廢物。這項技術如果成功,製造商將可利用分解後產生的單體製造塑膠、纖維或薄膜,無需再使用石油化工物質來製造新的塑膠。

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