《第四次工业革命将是锂离子电池、AI和IoT融合》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2019-10-30
  • 第四次工业革命已经到来,起到主导作用的不是IT技术,而是锂离子电池、AI和IoT融合在一起,可以称之为ET(能源与环境技术)革命。

    得出这一结论的是10月9日荣获2019年度诺贝尔化学奖的日本学者吉野彰,其凭借锂电池技术获得了诺贝尔化学奖。

    这一次诺贝尔奖的颁发算得上实至名归。锂电池的出现对社会的改变不仅是小到日常使用的手机和平板电脑,更是未来有美好前景的电动汽车不可或缺的。锂电池的发明和商用潜移默化地改变着人类的生活方式。

    10月18日,吉野彰受邀在东京千代田区发表了演讲,此次演讲参加者包括许多政府成员和日本文部科学省的许多官员在内的大约70人参加了会议。

    在这次演讲上,吉野彰谈到了使用“聚乙炔”开发锂离子电池的技术,这种技术是由2002年诺贝尔奖获得者白川英树所研发,吉野彰希望将学术界与产业界相结合,将技术应用到产品中,顺应市场经济。

    锂电池在笔记本电脑和智能手机上的应用,催生了上世纪90年代后期IT革命的到来。如今,锂电池的运用范围更加广泛,尤其被寄予希望的是应用到越来越流行的电动车辆中,并将研究如何将太阳能软化成电能储存于锂电池中并加以利用。

    吉野彰先生表示:IT革命被广泛认为是第三次工业革命,但是从现在开始,第四次工业革命即将发生——锂离子电池技术与AI和IoT融合在一起,可以称之为ET(能源与环境技术)革命。

    从吉野彰先生的说法来看,人工智能、物联网与锂电池发展的三者结合是未来发展的大趋势,而且被预言成为第四次工业革命。

    那么距离下一次工业革命开始之前,留给如今的技术发展时间还有多久,或许只有五到十年之久。

    所以现阶段需要提速发展相关技术以外,人工智能、物联网和锂电池的技术如何融合的问题也需要深度考虑。

    目前来说,虽然物联网与锂电池结合的应用比较广泛,但是对于长期使用的场景而言,都面临着工作寿命短、低温环境无法使用、以及产品维护成本高的难题。

    从人工智能与锂电池目前的结合来看,主要是两个方面。第一个是助力锂电池材料的研发,可以在实验数据较少的情况下,利用与人工智能相结合的方法,预测电池的新型高性能材料特征,解决材料开发中的问题,减少电池材料的研发时间。

    第二个是利用人工智能系统优化电池使用习惯,延长电池的使用寿命,单次使用时间。

    目前不仅是中国,日本、美国、德国等国家都积极参与到电池技术的相关研发当中。像日本汽车企业巨头丰田等公司,不仅仅在各种电池方向上投重金研究,同时为整个行业制造标准。

    从中国的锂电池市场看,整体趋势持续上涨。2018年中国储能类锂电池产量同比增加48.57%,预计2019整年年产量将达6.8GWh,未来五到十年都会保持持续上涨的势头。

    为了应对未来可能到来的第四次工业革命,日本经济产业省在今年的锂电池报告中指出:虽然现在中国是锂电池的主要制造国,但是要让自己国家(指日本)的企业把核心技术掌握牢固,如日立化成工业凭借碳负极材料的技术在世界上电池材料的开发中占45%。

    日本企业的做法带给中国的启发是,中国在努力发展锂电池技术的同时,更该保持技术的独立性和完整性,从而建立行业标准或者主导权,这样或许能在第四次工业革命中占据一定优势。

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    • 本报记者 翟冬冬 经典计算机需要100年才能破译的密码,量子计算机用1秒钟就能搞定。 也正是看到了这样的“洪荒之力”,各大巨头开始入局量子计算。2017年底,IBM称已成功研制出50个量子比特的量子计算处理器样机。据报道,谷歌正在研究49个量子比特的芯片,英特尔、微软也加大了对量子计算的投入。 我国科学家也加快了研发步伐,中国科学技术大学潘建伟与陆朝阳课题组于2017年成功研制出世界首台超越早期传统计算机的量子计算机。 “量子计算力”正缓缓袭来。 “量子计算将成为第四次工业革命的引擎。”近日,中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席科学家丁洪在接受科技日报记者采访时表示,就像1947年诞生的三极管一样,量子计算或成为下一代颠覆性技术。 “不明觉厉”的量子计算到底是什么呢? 突破传统计算瓶颈 从1970年到2005年,计算机的发展正如摩尔定律预测的一样,每隔18个月,集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍,计算机的计算性能也提升一倍。 “但2005年以后这种趋势就开始放缓。”丁洪介绍,目前晶体管已进入了纳米尺度时代,摩尔定律逐渐失效。 计算机发展的瓶颈主要有两个。首先,随着晶体管体积不断缩小,计算机可容纳的元器件数量越来越多,产生的热量也随之增多。其次,随着元器件体积变小,电子会穿过元器件,发生量子隧穿效应,这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。 什么是隧穿效应?丁洪打了一个比方。“就像穿墙术一样。在宏观世界,跳高运动员如遇到障碍,可以自己跳过去。但在量子世界,不需要这么高超的技巧。遇到障碍,可以穿过去。只不过,物质本身要足够小,障碍要足够薄。”他说。 量子计算机的出现,巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说,从原理来看,量子计算机是可逆计算机,不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机,不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。 “但量子计算机不会取代经典计算机。”丁洪说,两者的应用对象不同,互为补充,它们的关系就像白炽灯和激光一样。白炽灯和激光都能发光,具有相关性,但我们并不用激光替代白炽灯去照明,量子计算机也是如此的。 颠覆常识的量子世界 量子物理看似高冷,却早已走进我们的生活,像手机、计算机、LED等都用到了量子物理相关技术。“原子、光子、电子都是量子。”丁洪说,量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者。量子叠加和量子纠缠是量子物理区别于经典物理的地方。 什么是量子叠加?丁洪举了个例子,在经典物理中,从宏观角度来看,任何物质的“态”都是确定的。比如,将一本书放在桌子上,不是正面就是反面。在量子世界中,书却可以是正面的也可以是反面的,成为一个不确定的叠加态。 同样,电子自旋也有叠加态。电子的自旋,方向可能是向上,也可能是向下。它的叠加态就是一半向上一半向下,是不确定的。 过去,人们一直没发现其中的问题,直到提出“薛定谔的猫”这一实验。薛定谔提出设计一个实验,在笼子里放一只猫,里面放置一个毒气瓶。装置里有一个开关,用电子的自旋状态去控制。如果它自旋向上就会将开关打开,放出毒气毒死猫;如果自旋向下,猫就是安全的。 那么问题来了,如果电子处于叠加态,猫是死是活?答案是:猫一半是活的,一半是死的。 量子纠缠则更为玄妙。两个纠缠的粒子,不管距离多远,对其中一个粒子进行观测就会即时影响到其它粒子。“量子纠缠就像在量子世界打了一个虫洞。”说到如何理解量子纠缠,丁洪用电影《星际穿越》中的虫洞打了个比方。 拥有指数级计算能力 中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说,量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态,换句话讲,它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2N个可能数据当中的某一个;若它是量子存储器,则它可同时存储2N个数据。而且随着N的增加,其存储信息的能力将呈指数级上升。 关于指数级增长的威力,丁洪讲了一个故事。在古代印度,一位老人带着他发明的国际象棋去见国王。国王非常高兴,决定赏赐他东西。老人却表示,国王无法满足自己的要求。老人的愿望是什么? 在棋盘的第一格上放1粒小麦,第二格上放2粒小麦,第三格上放4粒,第四格上放8粒……一直到第六十四格为止。结果却发现,这是个天文数字。 为了开发量子计算机强大的并行计算能力,上世纪90年代科学家们提出了无序数据库搜索和大数因子分解两种算法。 发展势头迅猛 量子计算不仅可应用于人工智能领域,提升机器学习效率,还能应对复杂情况,如实现天气的精准预测。生活中的诸多不便如交通拥堵,也能依靠其算法解决。 “(量子计算)发展非常迅速。”丁洪说,以前普遍认为量子计算机是三、五十年之后才能出现的。按照现在的发展速度,可能三五年后就会出现。 目前谷歌、微软、英特尔、IBM、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。2017年12月13日,IBM宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作,共同开发商用量子计算。 为加速进入量子计算机阵营,各国政府也是“不惜血本”。2013年到2015年的财政预算显示,欧盟在该领域的投入达48亿元,美国投入31.5亿元用于量子计算机的研发,我国也投入19亿元推进量子领域的发展。目前我国正在筹建量子信息科学国家实验室,一期建设用地810亩,一期总投资70亿元。