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淺談量子科技的發展、應用與挑戰

量子力學是近代物理學的重要突破,透過探索奧妙的次原子世界,進而發現了超乎我們日常生活體驗的微觀行為。經過長期的發展歷程,隨著技術日漸成熟,量子科技已從概念逐漸邁向現實,甚至近來取得「量子霸權」已成為各國政府與科技大廠競逐的下一個重要戰場。

在日前舉行的D Webinar 2021新興科技論壇中,以「量子科技的今生與來世」為題,邀請清華大學物理系教授暨前瞻量子科技研究中心主任牟中瑜和AWS資料科學家陳維就量子科技的發展、應用與挑戰進行了說明。

迎接二次量子革命的來臨

針對量子運算的發展背景,牟中瑜表示,由於微小粒子具備的「疊加(superposition)」和「糾纏(entanglement)」特質,因此,早在1982年,知名物理學家費曼便提出了可利用此現象來做為運算的想法。

不過,由於相關技術並未就緒,量子運算的初期研究是以理論發展為主。2000年,業界在尋找後半導體時代的運算平台時,量子科技才又重新得到關注,但進展仍非常有限。直到2015年,量子位元終於取得了存活時間大幅提升的顯著突破,才為實際應用的可能性帶來了曙光。

近年來,量子科技另一個突破在於,過去只能製作出幾個量子位元,但現在已經成功達到50甚至79個,使量子科技的發展進入轉折點,進而推動了二次量子革命。

因應此一趨勢,現在歐洲、美國、新加坡、澳洲、中國等國均已投入資源成立研究中心,或執行大型計畫,例如歐洲旗艦計畫,再加上企業與學術機構的加入,引發了新一波的研發熱潮。

儘管「量子霸權」已成為熱門議題,但事實上,在量子位元在穩定度、擴展性、精確、以及成本等各方面都還有諸多挑戰需克服,要真正達到超越傳統電腦的目標,還有很長的一段路要走。

牟中瑜以1943年首度問世的真空管電腦,來比喻現階段量子電腦的發展。當時,IBM執行長華生曾發表了「我認為全世界電腦市場只有賣五台銷量」的著名看法,充分證明了我們絕對不能低估科技的發展潛能。因此,儘管量子科技只在萌芽期,但卻充滿了想像。

他認為,可用的量子位元(logical qubit)要達到1000個並具備一定的精確度,才是有意義的。而根據目前歐洲旗艦計畫的藍圖,希望能在2035~2045年實現,樂觀期望此目標的達成。

量子運算的普及與加速創新

另一方面,目前多家科技大廠與新創業者也已開始布局量子運算。以AWS為例,它是第一家提供量子運算雲端服務的業者。自2020年8月Amazon Braket服務上線以來,已獲得了多家客戶採用,包括福斯汽車、富達應用科技中心(Fidelity Center for Applied Technology;FACT),以及能源、製藥、化學模擬、以及學術研究單位。

陳維表示,量子運算在量子無限制二進制最佳化(Quadratic Unconstrained Binary Optimization;QUBO)方面已展現出具體成果。這類問題包含典型的推銷員旅程問題(TSP),如何在多個城市間安排最短、不重複的訪問路徑,以及車輛路徑問題,找出車隊的最佳路徑組合等。

在福斯,一個實際的運用案例,是針對不同工廠的車子底漆最佳化,如何以最低成本來安排底漆管線和更換噴漆罐。而金融業的富達,則是用它來分配投資金額,取得分散投資的最佳化收益。相信在各方資源挹注下,量子科技將快速成長,讓我們做好準備,準備迎接量子世代帶來的的無限潛能。

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