浅谈量子科技的发展、应用与挑战

量子力学是近代物理学的重要突破，透过探索奥妙的次原子世界，进而发现了超乎我们日常生活体验的微观行为。经过长期的发展历程，随着技术日渐成熟，量子科技已从概念逐渐迈向现实，甚至近来取得「量子霸权」已成为各国政府与科技大厂竞逐的下一个重要战场。

在日前举行的D Webinar 2021新兴科技论坛中，以「量子科技的今生与来世」为题，邀请清华大学物理系教授暨前瞻量子科技研究中心主任牟中瑜和AWS数据科学家陈维就量子科技的发展、应用与挑战进行了说明。

迎接二次量子革命的来临

针对量子运算的发展背景，牟中瑜表示，由于微小粒子具备的「叠加(superposition)」和「纠缠(entanglement)」特质，因此，早在1982年，知名物理学家费曼便提出了可利用此现象来做为运算的想法。

不过，由于相关技术并未就绪，量子运算的初期研究是以理论发展为主。2000年，业界在寻找后半导体时代的运算平台时，量子科技才又重新得到关注，但进展仍非常有限。直到2015年，量子位元终于取得了存活时间大幅提升的显着突破，才为实际应用的可能性带来了曙光。

近年来，量子科技另一个突破在于，过去只能制作出几个量子位元，但现在已经成功达到50甚至79个，使量子科技的发展进入转折点，进而推动了二次量子革命。

因应此一趋势，现在欧洲、美国、新加坡、澳大利亚、国内等国均已投入资源成立研究中心，或执行大型计划，例如欧洲旗舰计划，再加上企业与学术机构的加入，引发了新一波的研发热潮。

尽管「量子霸权」已成为热门议题，但事实上，在量子位元在稳定度、扩展性、精确、以及成本等各方面都还有诸多挑战需克服，要真正达到超越传统电脑的目标，还有很长的一段路要走。

牟中瑜以1943年首度问世的真空管电脑，来比喻现阶段量子电脑的发展。当时，IBMCEO华生曾发表了「我认为全世界电脑市场只有卖五台销量」的着名看法，充分证明了我们绝对不能低估科技的发展潜能。因此，尽管量子科技只在萌芽期，但却充满了想像。

他认为，可用的量子位元(logical qubit)要达到1000个并具备一定的精确度，才是有意义的。而根据目前欧洲旗舰计划的蓝图，希望能在2035~2045年实现，乐观期望此目标的达成。

量子运算的普及与加速创新

另一方面，目前多家科技大厂与新创业者也已开始布局量子运算。以AWS为例，它是第一家提供量子运算云端服务的业者。自2020年8月Amazon Braket服务上线以来，已获得了多家客户采用，包括大众汽车、富达应用科技中心(Fidelity Center for Applied Technology；FACT)，以及能源、制药、化学模拟、以及学术研究单位。

陈维表示，量子运算在量子无限制二进制最佳化(Quadratic Unconstrained Binary Optimization；QUBO)方面已展现出具体成果。这类问题包含典型的推销员旅程问题(TSP)，如何在多个城市间安排最短、不重复的访问路径，以及车辆路径问题，找出车队的最佳路径组合等。

在大众，一个实际的运用案例，是针对不同工厂的车子底漆最佳化，如何以最低成本来安排底漆管线和更换喷漆罐。而金融业的富达，则是用它来分配投资金额，取得分散投资的最佳化收益。相信在各方资源挹注下，量子科技将快速成长，让我们做好准备，准备迎接量子时代带来的的无限潜能。