專家傳真－台灣發展量子技術 應聚焦系統、元件、軟體 領域

工商時報【魏伊伶工研院產科國際所分析師】 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。