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量子科技有真有假 台灣發展方向在哪?

「量子(Quantum)」是一個艱澀又難懂的名詞,因為難懂所以常常被用來唬人,產生了量子水、量子速讀這種笑話;因為難懂所以常常被大家誤解,以為量子電腦比傳統電腦快很多很多倍所以未來會取代我們現在所有的電腦。那麼到底什麼是量子?什麼是量子電腦?量子除了電腦還有哪些應用呢?

什麼是量子(Quantum)?

某一個物理量如果存在最小不可分割的基本單位,則這個物理量是不連續的(量子化的),這個基本單位稱為「量子(Quantum)」,量子不是粒子本身,而是粒子的狀態或特性。理論上使用61種「基本粒子(Elementary particle)」都可以產生量子,分別為夸克(Quark)共36種、輕子(Lepton)共12種、玻色子(Boson)共13種,由於大部分基本粒子難以控制,因此目前最常用來產生量子的是基本粒子包括:電子的自旋、光子的偏振等,其中電子屬於輕子、光子屬於玻色子。

量子科技的分類與應用

目前量子科技主要的分類與應用包括三大領域:一、量子資訊(Quantum information):利用量子效應進行計算,主要研究量子計算機(Quantum computer)、量子邏輯閘(Quantum gate)、量子演算法(Quantum algorithm)等;二、量子通訊(Quantum communication):利用量子效應進行通訊,主要研究量子密鑰分發(Quantum cryptography)、量子隱形傳態(Quantum teleportation)等;三、量子感測(Quantum sensor):利用量子效應進行感測,主要研究量子雷達(Quantum radar)等。

量子有真也有假?

由於量子科技的原理難以理解,因此許多廠商利用這個名詞來「唬外行人做行銷」,在談量子科技之前我們先說明量子的真假。

以量子科技解釋原理:屬於假量子之名行量子之實,假量子之名代表是不是量子效應無關緊要,行量子之實代表真的是使用量子理論來解釋原理。例如:利用「量子局限效應(Quantum confinement effect)」解釋量子點發光的原理應用在「量子點電視(QD TV:Quantum Dot TV)」,或利用「量子穿隧效應(Quantum tunneling effect)」解釋電子穿越絕緣體的原理應用在「快閃記憶體(NAND flash)」,都是屬於這一類,不論量子理論如何解釋原理,元件已經做出來而且可以量產了,是不是量子效應無關緊要,廠商把這種電視稱為「量子點電視(QD TV)」雖然沒錯,但是意義不大,純粹唬外行人做行銷而已。

以量子科技創新應用:屬於真量子之名行量子之實,真量子之名代表利用粒子的「量子糾纏(Entanglement)」與「量子疊加(Superposition)」進行量子資訊、量子通訊、量子感測等創新應用,概念上可行但是實作還有許多困難。如果量子理論是對的還必須克服工程上的困難才能實現,但如果量子理論有錯那可能變成幻想永遠無法實現,目前看起來大部分量子理論是正確的,因此這些應用在未來十年將會有突破性的發展,這個才是真正我們要談的量子科技。

量子科技的基礎:量子疊加與量子糾纏

量子疊加:是指粒子本身的狀態或特性,根據薛丁格方程式的線性關係,一個量子系統的量子疊加可以是幾種不同「本徵態(Eigen state)」與「本徵值(Eigen value)」的線性組合。也就是大家常聽到「又活又死的貓」,如果應用在量子計算,就是量子位元(qubit)處於「又0又1的狀態」。

量子糾纏:是指粒子與粒子之間的關聯,2個以上的粒子之間互相關聯的現象,即使相距很遠仍然互相影響,一個粒子的狀態改變會影響另外一個粒子的狀態,也就是大家常聽到「愛因斯坦稱之鬼魅般的超距作用」。

利用粒子的「量子疊加」與「量子糾纏」為基礎,進行資訊處理的科學稱為「量子計算(Quantum computing)」,許多人誤以為量子電腦比傳統電腦快很多很多倍所以未來會取代我們現在所有的電腦,實際上量子電腦並不是一種「運算」速度很快的電腦,而是針對「特定運算」速度很快的電腦。如果問題不合適,那使用量子電腦也不會比較快,因此量子電腦只能輔助而不會取代傳統電腦。

傳統計算(Classic computing)與傳統邏輯閘(Classic gate)


傳統計算的計算基礎為「位元(bit)」,代表一個0或一個1,如圖一(a)所示,也就是代表其中一種狀態,傳統電腦使用「電晶體(FinFET)」做為計算基礎,每個電晶體只能表示一個「位元(bit)」,如果有N位元(bit)同時只能處理N個狀態。

傳統電腦使用的邏輯閘稱為「傳統邏輯閘(Classic gate)」,例如:AND閘、OR閘、NOT閘、NAND閘、NOR閘、XOR閘等,如圖二(a)所示,由電晶體(FinFET)組成,廣泛的使用在IC設計,運作屬於「不可逆(Irreversible)」的反應,因此會產生熱能與消耗熱能,也就是「亂度(Entropy)」會增加。

量子計算(Quantum computing)與量子邏輯閘(Quantum gate)


量子計算的計算基礎為「量子位元(qubit)」,代表一個0與一個1的「量子疊加狀態」,如圖一(b)所示,也就是同時代表0與1兩種狀態。量子電腦使用「量子(Quantum)」做為計算基礎,例如:光子的偏振、電子的自旋等,每個量子可以表示一個「量子位元(qubit)」,如果有N量子位元(qubit)同時可以處理2N個狀態。

量子電腦使用的邏輯閘稱為「量子邏輯閘(Quantum gate)」,例如:阿達馬閘(Hadamard gate)、包利-X/Y/Z閘(Pauli-X/Y/Z gate)、相位偏移閘(Phase shift gates)、互換閘(Swap gate)、控制閘(Controlled gates)、托佛利閘(Toffoli gate)等,如圖二(b)所示。量子邏輯閘的運作屬於「可逆(Reversible)」的反應,因此不會產生熱能與消耗熱能,直到我們對它量測造成「量子崩塌(Quantum collapse)」為止。

量子電腦不是用來取代傳統電腦 而是與傳統電腦互補

只能實現某種特定量子演算法的量子電腦稱為「非通用量子電腦(Non-universal quantum computer)」,如果要更改演算法就必須更改硬體或設備,例如:D-Wave公司使用量子退火進行相對的全域最佳解計算,中國大陸九章使用多光子干涉儀進行「高斯玻色採樣(Gaussian boson sampling)」計算,光子(Photon)屬於玻色子(Boson),因此這個實驗是使用光子完成的。

可以實現任何一種量子演算法的量子電腦稱為「通用量子電腦(Universal quantum computer)」,通常是由許多量子位元(qubit)組成的物理系統,可以在量子位元上執行一系列量子邏輯運算,通常是利用量子邏輯閘建立量子演算法,利用量子演算法建立量子計算模型,就和我們現在的電腦一樣,想要不同的功能只需要執行不同的程式就可以了!例如:使用秀爾演算法(Shor algorithm)可以進行大數的質因數分解;葛洛夫演算法(Grover algorithm)可以進行隨機的資料庫搜尋。但是目前量子演算法不多,只能針對「特定運算」速度很快,對於量子計算最重要的是了解那些問題合適,同時設計出效能比傳統電腦更好的演算法。

因此量子電腦是針對「特定運算」速度很快的電腦,一般的運算例如:手機的應用處理器(Application processor)需要執行作業系統(Android/iOS)與應用程式(APP:Application program),基頻處理器(BB:Baseband processor)需要執行通訊的調變、多工、壓縮、加密等運算,用傳統的電晶體與邏輯閘就可以了!所以量子電腦不是用來取代傳統電腦而是與傳統電腦互補。

量子電腦的發展現況

量子電腦的實現方法有量子退火(Quantum anneal)、超導體(Superconductor)、離子阱(Ion trap)、量子點(Quantum dot)、鑽石缺陷(Diamond defeat)等。D-Wave公司使用現有電子元件模擬量子計算,銷售全球第一台商用量子電腦,可惜並不是通用量子電腦;Google、IBM、Intel公司使用超導體設計「約瑟夫森接面(Josephson junction)」製作量子處理器,才是通用量子電腦。

如果運用量子電腦來進行某種運算,而這個運算是目前任何傳統超級電腦沒辦法在合理的時間內運算出來,就能成為「量子霸權(Quantum supremacy)」。一般認為至少能夠做到50量子位元(qubit)以上,才有可能達成量子霸權。

量子科技的困難與台灣未來的機會

量子計算在實現遠比理論要困難許多,由於量子狀態極不穩定,容易受到室溫熱能、電磁輻射的影響,因此目前較成熟的量子電腦必須在極低溫-273°C以下運作,環境背景雜訊會嚴重干擾量子計算與訊號量測,解決方法之一是使用更多量子位元經由演算法除錯,還原出正確答案,除錯用的量子位元隨著計算用的量子位元增加而快速增加,因此量子電腦在可靠度、再現性、耐久性還需要很長的時間來突破。

由於量子電腦必須在極低溫運作,因此只適合應用在雲端的資料中心進行特定的運算,可以應用在人工智慧、材料科學、藥物研發、大氣科學、金融科技等不同領域,而不會取代我們目前終端使用的電腦、手機等裝置。此外,量子科技相關的知識涵蓋數學、物理、化學、電機、資工、醫藥等,因此量子科技的推動需要跨領域整合,學術界需要協調不同領域的專家投入,產業界可以先由量子電腦週邊的低溫致冷系統、量子光電量測開始投入資源進行研發,再進一步接觸核心技術的量子材料製備。

以半導體產業為例,低溫致冷系統可以發展「低溫互補型金屬氧化物半導體(Cryogenic CMOS)」的控制系統元件與模組;量子光電量測可以發展單光子光源、線性光學元件、單光子感測器、微波量測設備等;量子材料製備可以發展超導體、離子阱、量子點、鑽石缺陷等材料的原子級製程,這些都是可能的方向,才能讓台灣在未來的量子科技領域保持競爭力。

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