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。