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IEK360系列|台灣應聚焦系統、元件、軟體三領域發展量子技術 (2019-04-16 IEK產業情報網 )

當摩爾定律走到盡頭,下一代量子電腦運算將改變現有產業生態、加速新興應用速度。隨著各國在量子通訊、量子電腦上的投入,已成為新顯學。
2016年5月IBM發表量子運算器「Quantum Experience」平台,應用在人工智慧、機器學習、安全編解碼、材料多維度等運算;Google向加拿大D-WAVE公司採購的量子電腦,則運用在最佳化演算法、人工智慧、影像辨識、太空探索運算;美國白宮科技顧問委員會於2017年1月所發布的半導體產業長期領先發展策略報告書,亦點出量子電腦對全球氣候預測及恐攻資安監測應用效益,將大幅提升。
從商用化角度來看,國際廠商發展原則為「軟硬兼施」。硬體多以「整系統」為主,著重在量子數量的增加、穩定量子態(除錯、存活時間)及穩定引發糾纏效應;而軟體除演算法工具外,也透過開源軟體方式開放各界投入測試,以降低開發者進入門檻。
然而,量子技術不論是使用材料、元件乃至系統架構、製程等,都與過去的資通訊技術有明顯不同。目前量子電腦技術的發展瓶頸,從架構上來看主要分為Logical layer及Physical layer兩層次。Logical layer的瓶頸在於應用方向尚不明確,量子演算法只能針對非常特定的問題解決,缺乏通用性、且開發人才少;在Physical layer層次上,因量子態非常脆弱,需延長存活時間方能完成資訊有效運算及讀取,且量子糾纏效應的引發不穩定、除錯問題耗費大量運算資源等限制,都提高了相關產業發展門檻。
鑒於以上原因,若台灣想發展量子電腦整系統,需耗費大量資源與時間,但並非無利可圖。其中量子處理器(quantum processing unit, QPU)需在超導電子晶圓廠內製造,並把QPU嵌在矽晶圓上,過程需要應用到晶圓製程的專業知識來發展;而低溫也是量子存活的關鍵要素,因此建議台灣產業可透過與國際整系統業者合作,聚焦於QPU之微波控制系統(讀取量子資訊)、量子處理器封裝(半導體)與低溫元件為研發主力,最符合台灣產業優勢。
其次,量子通訊的發展著重「安全」與「機密性」,遠大於傳輸效率,目前多著重在量子密鑰分發的研究,又以單光子為目前量子通訊較多人採用的技術。其中量子中繼器因量子態脆弱,在發展上仍有技術瓶頸。因此,台灣可能投入方向包含:量子通訊系統可調式光源(光學相關)、量子密鑰分發系統的研發,以及量子密鑰分發(Quantum Key Distribution,QKD)之管理軟體。
另外,台灣產業需先就各國的量子專利佈局進行了解。筆者以關鍵字方式檢索高度相關專利後,找出9,446筆量子專利技術,其中「量子電腦專利」申請數量從2013年後呈現明顯成長,美國占了Top10中近50%,其次為加拿大、日本、澳洲、英國、韓國、中國等。佈局重點以Qubit 技術、微波控制系統與演算法為主,部分廠商開始佈局量子電腦間資訊傳輸的Quantum Network技術。而量子通訊專利趨勢與所屬國分析則以中國專利數量最多,占Top 12近33%,其次為美國、日本、韓國、英國、芬蘭、法國、加拿大等,投入重點以光子系統元件或QKD之硬體系統及QKD軟體為主;在加解密與密鑰的資訊處理上,例如:密鑰分享、備援密鑰庫等,許多廠商也視為布局方向。
其他如超導體專利,以美國取得領先地位;光學專利申請數量上則由日本傲視全球。而台灣在量子通訊相關專利共有4篇,其中2篇為個人所提出之「量子傳輸裝置」與「量子密鑰系統」專利,另2篇則是中華電信於2011年提出之「量子密鑰服務網路系統」相關專利,及成功大學所提出的「量子通訊」專利。
總言之,面對國際發展量子技術的來勢洶洶,台灣不會缺席,初期可將重心放在量子通訊元件與軟硬體設備發展上,並以量子光學元件為核心,連結法人與學術界設備開發能量,並串聯電信業者進行量子通訊網路驗證,作為初期量子技術專利布局方向;在量子電腦部分,量子網路為新興方向,加上演算法可獨立於硬體投入,國際上也有許多新創廠商獨立投入,可考量列為優先進入模式。本文同步刊載於2019年4月12日【工商時報】著作權所有,內容非經同意不得轉載

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