半導體優勢未必能沿用　量子人才攸關產業未來

量子科技儼然已成為一場全球軍備競賽，包含加拿大、英國、荷蘭、德國、中國、俄羅斯、韓國、日本、澳洲、新加坡、印度、以色列、歐洲、法國、美國、奧地利、瑞典、紐西蘭、西班牙、丹麥、芬蘭、匈牙利、泰國、卡達等等國家，均已投入量子研究與開發，總投資金額已達近300億美元。而台灣政府也於去年（2022）正式成立量子國家隊，佈局量子產業鏈。預計在5年內投入約新台幣80億元，目標重點在整合量子技術人才與資源，針對目前量子科技軟硬體之技術瓶頸，建立跨領域研究團隊，開發具突破性的關鍵技術。

台灣量子電腦暨資訊科技協會理事長張慶瑞觀察，不少人對量子電腦抱有迷思，以為量子科技大概就是半導體科技的延伸，也有些人誤以為越做越小就是量子。其實，量子技術與半導體科技並沒有必然的困果關係。他舉例，中國與美國量子科技領先全世界，但是眾所周知中國的半導體技術其實競爭得很辛苦，反觀量子科技的研究卻非常領先，由此也足以說明這兩者並沒有正相關。

「半導體科技其實比較像有限尺寸效應，尺寸愈小，能量『量子化』愈好，愈清楚。這是量子科技的一部分卻不是最核心的一部分。真正的核心技術其實是量子糾纏（Quantum Entanglement），而這個現象的出現也說明了跟尺寸大小無關。」他提到，去年（2022），法國阿蘭﹒阿斯佩（Alain Aspect）、美國約翰﹒克勞澤（John F. Clauser）以及奧地利安東﹒塞林格（Anton Zeilinger）等三位科學家獲頒諾貝爾物理學獎，正是因為這三位學者在量子科技核心技術—量子糾纏的卓越貢獻，造就了今天第二次量子科技革命的出現，「控制糾纏，並且讓糾纏的物理特性變成可以使用的儀器跟元件，是現今致力發展的方向。」

糾纏態是核心 運算力指數上升

受到古典牛頓力學的影響，大多數人直觀地認為這個世界是機械世界，只要給對了起始條件，之後的行為完全可以控制，但是量子糾纏全然違反這些認知，張慶瑞舉例，假設有10顆彈珠分裝在兩個箱子中，一個箱子運到紐約，另一個留在台北。如果在台北打開來是3顆，那麼在紐約的箱子必然是7顆，這種關聯性其實也存在古典運算中。但量子糾纏最大的差異就在於打開之前並不知道箱子有幾顆，只有打開的瞬間才知道，也就是薛丁格的貓（Schrodinger’s Cat）的邏輯，只有打開的瞬間才知道貓的生死。「但是糾纏態很脆弱，不會自然產生，要刻意創造，而且很短時間內就會消失，許多廠商投入研究，目的就是希望把量子糾纏變成一個穩定的狀態。」

根據調研機構IDC發布的全球量子運算市場預測，預估到了2027年企業組織對量子運算支出將達到86億美元，而隨著量子運算技術的重大突破、量子運算即服務的基礎架構與平台市場，以及適用於量子運算的效能型密集運算工作負載的增長，都將驅動市場成長。

「量子電腦厲害之處是具有龐大的運算潛力，」他指出，古典電腦其實是0與1的計算，以往是用算盤慢慢算，現在則是用半導體的技術讓撥算盤的速度變快，2022年最快的是每秒10¹8次運算，由美國的超級電腦「Frontier」創下，而2021年則由日本「富岳」（Fugaku）以每秒10¹7次拔得頭籌。就像是拿標槍射魚，以往古典電腦每一秒鐘只能射兩次標槍，現在則是一秒鐘射10¹8次的標槍。可是量子電腦並不這麼做，而是直接做了一個魚網，只是因為現在技術仍不純熟，魚網的洞很大，隨著錯誤率越來越小、量子位元愈來愈多，漁網就會張得越來越大，「乍聽起似乎沒什麼特別，但別忘了量子電腦的運算力會隨著量子位元數而指數形式上升，兩個量子位元糾纏一起就等於2²次方，70個量子位元如果能夠做到自動修正錯誤又全部糾纏在一起，其運算力就可以取代全世界的超級電腦。屆時真正的量子電腦元年就會到來。」

人才培育須跟進

從一開始無心插柳到一頭栽進量子電腦領域，張慶瑞不遺餘力推廣，儼然已為台灣量子運算界首屈一指的先驅者。「在2018年以前，我跟大家一樣純粹以為量子電腦不過就是科學，離實用還很遠，可是短短幾年間，每個人都對它產生了興趣。」他認為，如果量子電腦的發展速度能夠像古典運算一樣，那麼未來的十年內整個運算世界就會有翻天覆地的變化。

歷任過台大物理系特聘教授、台大IBM量子電腦中心主任，同時也是中原大學講座教授與中原量子資訊中心主任，張慶瑞與量子電腦的緣分得從2017年在美國遇到IBM副總裁提議雙方針對量子科技合作開始，當時美國對於這項技術已全力投入。2018年受科技部委派到維也納參加量子旗艦計畫（Quantum Flagship Program）會議，2019年在科技部支持下，台灣大學與IBM公司簽訂合作契約正式成立「臺灣大學-IBM量子電腦中心」，相關研究計畫便是由他主持；同年台灣富士通也開始洽談合作，進行一項全球性的計畫，運用量子運算針對COVID-19相關的題目進行為期六個月的研究，這是雙方首次合作的開始。

2020年張慶瑞擔任鴻海研究院諮詢委員；同年，為了推廣台灣量子運算，吸引各界關注量子電腦相關議題以及促進提升台灣量子運算相關之軟、硬體技術發展，成立台灣量子電腦暨資訊科技協會並擔任理事長，以加速台灣量子電腦進程。2022年中原大學與台灣富士通攜手合作，由台灣富士通提供富士通株式會社量子啟發式運算技術Digital Annealer數位退火服務，協助中原大學成立DA量子計算中心，執行「量子計算在最佳化及金融之應用」五年期研究計畫，張慶瑞不僅是計畫主持人也擔任中原大學量子資訊中心主任。

從多年來接觸量子電腦經驗，他觀察，目前量子電腦的最為領先的前兩大硬體技術，分別是IBM投入研發的超導體（Superconductor）以及IonQ推動的離子阱技術，後者也是鴻海研究院現今投入的領域。「坦白說，量子電腦需要在絕對零度的低溫中運行，這與平常熟悉的半導體矽科技完全不同，這也是為何會出現低溫電子學的原因。有趣的是，在如此低溫的情況下，材料很可能都會起變化，因為半導體到了低溫，通通都是絕緣體。所以半導體產業是否一定銜接得上量子電腦以及半導體產業是不是等於量子產業？這些都是值得深思的問題。」

「另一項挑戰，則來自於人才的培訓，目前量子電腦技術都還在發展中，會操作量子電腦的人才很少，更不用說跨領域的人才，」張慶瑞指出，未來一定是跨領域，5到10年後必然要出現一個量子科技學院，如此才能跟上產業的發展，就好像半導體成熟了以後設立電子學院是同樣的道理。