下一世代運算工具—淺談量子電腦(Quantum computer)(上)

FIND研究員：壽邇琪

【10秒小科普】何謂量子電腦？

量子電腦就是高效能電腦的進階版，透過『量子位元(qbit)』來處理資料，可以同時計算0與1。簡而言之，量子電腦具備在短時間內處理巨量資料及運算完成的能力。

當聽到「量子電腦」這個名詞，對於一般大眾來說都會覺得高深莫測，粗淺的判斷會認為可能是一個新時代的科技工具，當真的上網去查何謂量子電腦時，對於網路上資料的解說看得似懂非懂。然而，新聞上卻頻頻報導世界科技巨擘IBM、Google、Intel等都搶當霸主，甚至連國內的科技大廠鴻海、廣達、台積電、聯發科等都不放過這波量子電腦的浪潮，紛紛相繼投入資源進行研發，本文將試著從初學者的角度出發，解析量子電腦(Quantum computer)的原理以及與傳統電腦之差別。

2019年新冠肺炎全球爆發，顛覆了所有人的生活，引頸期盼的疫苗為這波疫情帶來一線曙光，世界製藥大廠莫德納(Moderna)、輝瑞(Pfizer)、阿斯特捷利康(AstraZeneca)在1年內完成疫苗的臨床試驗，使人類擁有病毒的抵抗能力，讓全世界慢慢地回歸正常生活，但若是運用量子電腦搭配人工智慧(AI)模型模擬數以萬計的藥物分子結構，在短短幾天內就完成疫苗的研發，想必結局定會截然不同。 

圖   IBM Q System One 於2019年國際消費電子展(CES)展示圖 

圖片來源：IBM官網

新應用》量子電腦可應用於新藥、創新材料製造、機器學習

為何量子電腦能夠完成傳統電腦無法達到的運算速度？簡單來說，量子電腦為高效能電腦的進階版，其運算的數據範圍大到超乎一般的想像，量子電腦是基於量子力學及粒子量子態(Quantum State)的資訊處理，然量子電腦並非要取代傳統電腦，而是要解決許多傳統電腦難以解決的現代重要應用領域項目，包含新藥開發、創新材料製造、金融投資與風險管理、機器學習、人工智慧等。

量子電腦之所以能具備在短時間內處理巨量資料及運算完成的能力，源於量子疊加(superposition)以及量子糾纏(entanglement)的特性，相較於傳統電腦的運算是以『位元(bit)』形式處理資料，透過0與1兩種狀態的切換，亦即不是0就是1的方式來計算的數學邏輯，但量子電腦則是透過『量子位元(qbit)』來處理資料，可以同時計算0與1。簡而言之，在有極其龐大的資料量下，透過量子電腦能大幅減少計算時間，相較於傳統電腦，甚至能在短時間內計算出過去傳統電腦必須花十幾年或幾百年都無法計算出來的資料。

新挑戰》受限於硬體設備 精準度仍待提升

然而，現階段面臨最大的問題是比起傳統超級電腦的精準度仍欠缺，由於量子電腦還在發展初期，受限於目前硬體設備裝置處於複雜且不成熟的狀態，後續仍有很大的發展盡應用空間。

 資料來源： 

1.工研院IEK產業情報網(https://ieknet.iek.org.tw/)

2.【量子電腦撼全球】台積電、聯發科、鴻海、廣達都不放過！ 3分鐘讀懂量子電腦(https://www.mirrormedia.mg/story/20220223ind003/) 

下個世代運算工具—量子電腦(Quantum computer)淺談(中)–主要發展技術與投入廠商

FIND研究員：壽邇琪

2019 年，台積電董事長劉德音曾說：「假如有一天，每一個人的口袋都有一個量子電腦，我想台積電一定不會缺席。」這句話顯示了台積電在量子電腦的這波研發趨勢中定會佔有一席之地，並且認為量子電腦在未來可能會成為一項非常普及的工具。

量子電腦與傳統電腦的差別在於用何種運算形式來處理資料，傳統電腦是以『位元(bit)』形式處理資料，而量子電腦則是透過『量子位元(qbit)』來處理資料，在有極其龐大的資料量下，透過量子電腦能大幅減少計算時間，相較於傳統電腦，甚至能在短時間內計算出過去傳統電腦必須花十幾年或幾百年都無法算出來的東西，但精準度相較於傳統超級電腦仍有些欠缺，受限於硬體設備裝置的複雜與不成熟，後續仍有很大的發展及應用空間，故不少國際大廠甚至是新創都開始涉足量子運算(quantum computing)這個新興領域，下面將介紹近期有發展量子技術並取得一定成績的公司及新創。

圖說：新興量子電腦(Quantum Computer)技術布局與研發方向 

圖片來源：經濟日報(https://money.udn.com/money/story/122229/6432397)

目前主要用以建構量子電腦的技術有離子阱(trapped ion)、超導迴路(superconductors)、矽基電子量子位元(electon spin silicon based)。

以離子阱(trapped ion)技術來開發量子電腦的廠商：投入的廠商有ION Q及Honeywell，其運作的環境需為真空環境，這種技術的優勢在於量子態連貫時間(coherence time)長及量子不易操作，但面臨的挑戰則為須建構具高速運算系統，且體積偏大也不易擴充；其中ION Q為成立於2015年的新創，總部位於美國馬里蘭州College Park，估計獲得8,400萬美元的資金，近期傳出ION Q考慮透過SPAC(特殊目的收購公司)收購上市，成為第一家量子運算軟硬體商業化的公開上市企業。上市後市值估達20億美元。

以超導迴路(superconductors)技術來開發量子電腦的廠商：相較於離子阱(trapped ion)有更多的廠商投入開發，包含Google、IBM、intel、Rigetti Computing及D-Wave，該技術需要超低溫(~15mk)的運作環境，其優勢為目前Qbit(量子位元)數量最多且有依摩爾定律增加之趨勢，量子較有彈性也易操作，但所面臨的挑戰為量子易受干擾(已有對應的解決方案)，以及元件大不易縮小；其中，Rigetti Computing來自美國加州柏克萊，在2020年取得了7,900萬美元的C輪融資，總募資約為1億9845萬美元。D-Wave則來自於加拿大成立於1999年，是量子計算領域的先驅，近期加拿大政府向D-Wave提供4000萬美元的融資，以鞏固其在量子計算領域的全球領導者地位。

以矽基電子量子位元(electon spin silicon based)技術來開發量子電腦的廠商：該技術目前僅有intel投入開發，運作環境同樣為超低溫(~15mk)，優勢在於與目前半導體CMOS製程相容且元件小有利量產，但其挑戰為Qbit(量子位元)數量增加不易且易受干擾，仍需克服電子sensitive to charge的問題，材料的部分則需限定妤使用純化矽28。

綜合上述三項技術，超導迴路(superconductors)技術現階段乃為最成熟且最多廠商投入，而coherence(量子糾纏時間)、scalability(可擴充性)、controllability(量子現象之可控與可量測性)為後續各項技術競爭與突破的重點，後續將介紹量子電腦技術應用現況、各國主要政策以及對於台灣的重要啟示與議題。 

封面圖片來源：IBM官網(https://research.ibm.com/interactive/system-one/) 

參考來源： 

1.工研院IEK產業情報網(https://ieknet.iek.org.tw/) 

2.量子電腦 新興技術聚焦(https://money.udn.com/money/story/122229/6432397) 

3.這是 IBM 的量子電腦原型，你完全找不到主機板跟記憶體放在哪裡(https://www.techbang.com/posts/63969-at-ces-ibm-showcases-the-prototype-of-a-quantum-computer-which-is-literally-like-a-piece-of-art) 

4.12家量子新創可能成為獨角獸(https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=17598) 

5.IBM Q System One (https://research.ibm.com/interactive/system-one/) 

6.全球值得關注的八家量子運算公司(https://www.edntaiwan.com/20210621nt61-8-quantum-computing-companies-to-watch/) 

下個世代運算工具—量子電腦(Quantum computer)淺談(下)–潛力應用市場領域

FIND研究員：壽邇琪 根據Morgan Stanley於2016年的報告顯示，量子電腦將於未來10年改變許多產業的樣貌與生態，到2025年量子電腦的運算市場甚至會達到百億美元的規模，所以很多領導大廠包含IBM、Google、Intel、微軟等都早早地投入這個量子電腦的新興市場，展示相關先進技術，希望能在這市場中佔有一席之地，並達到「量子霸權」的目標。所謂的「量子霸權」是2012年由加州理工學院物理學家John Preskill所提出的概念，亦即為當量子電腦的運算能力發展到50量子位元(qbit)時，將會超過現有傳統電腦的運算能力，來解決目前傳統電腦無法解決的問題。 >

南韓Naver建置5G專網，挑戰落地應用效能

FIND研究員：蔡美青 今(2022)年第二季，NAVER旗下的雲服務公司NAVER Cloud與三星電子(Samsung Electronics)共同合作，在南韓京畿道城南市NAVER第二辦公大樓(1784 Building)架設5G專網，提供e-Um 5G服務，成為南韓第一個採用5G專網的建築大樓。 >