隨著電晶體不斷縮小、難度挑戰越來愈高，可預見的是在後摩爾定律時代（Post-Moore’s Law Era），矽材料物理極限終將有一天會被逼近，而被稱為下世代運算的量子電腦（Quantum Computer）很可能就是突破摩爾定律瓶頸的解方。
過去數十年，半導體先進製程依循著摩爾定律（Moore’s Law），以規律的進度從微米尺度線寬一路發展到10奈米以下，如今3奈米製程順利量產在望、2奈米也在積極研發中，美國Zyvex公司甚至已開發出能生產0.7奈米製程晶片的光刻系統，未來1奈米以下的製程也儼然指日可待。然而隨著電晶體不斷縮小、難度挑戰越來愈高，可預見的是在後摩爾定律時代（Post-Moore’s Law Era），矽材料物理極限終將有一天會被逼近，以往伺服器大幅仰賴晶片不斷增進效能而輕鬆提升的運算力，在摩爾定律愈趨走向盡頭之際，無疑需要尋求更高速、優質的運算能力來接棒，而被稱為下世代運算的量子電腦（Quantum Computer）很可能就是呼聲最高的黑馬。
另一方面，隨著全球數位轉型加速、COVID-19引領工作與商模的新變革，多樣且龐大的資料也成為量子電腦發展的另一大驅動力道。面對急劇增加的資料量以及須納入的考量因素，決策過程將變得愈來愈複雜，企業大幅仰賴大數據與人工智慧等相關技術萃取應用價值，運算力已成不可或缺的關鍵，也是解決多樣化與複雜問題的重要一環。特別是許多即使運用GPU與高效能運算仍須花上數年時間等候結果的創新研究，也可望藉由量子運算（Quantum Computing）來解決，然而連帶地也將對資料安全與加密貨幣等方面造成極大的衝擊與變革。
量子效應與技術領域
什麼是量子運算？調研機構Gartner在《The CIO’s Guide to Quantum Computing》一文中指出，量子運算是一種基於亞原子粒子量子態的非典型運算，與傳統使用二進位運算方式的古典運算有很大的不同。在傳統運算中，位元（Bit）意謂著0或1、真或假、正或負，而在量子運算中，量子位元（Quantum Bit或Qbit）可允許一系列不同的值，這個狀態稱之為疊加（Superpositioning）。
疊加賦予量子電腦速度與平行處理的能力，每一個量子位元都能代表問題的量化解答。此外，量子位元也能在稱為糾纏（Entanglement）的過程中與其他量子位元鏈接。搭配運用量子疊加與量子糾纏原理，量子電腦便能同時運算出大量可能的結果。
IBM傑出工程師陳宇翔解釋，量子其實是最小粒子（Particle）的統稱，其可能是電子、光子或是原子。如果有一種辦法能夠隨心所欲地控制和改變量子內部的狀態（如量子糾纏、量子疊加、量子干涉等等），進而形成的系統就稱之為量子系統。將這個系統拿來作為運算之用，就稱之為量子電腦。簡而言之，量子電腦主要是運用一些硬體手段，反應出量子物理中的特性，並且將這些特性拿來做為運算之用。
由於粒子及控制手法的不同，目前量子電腦硬體有許多不同的實現方式，例如離子阱（Trapped Ions）、冷原子（Code Atoms）、超導電路（Superconducting Loops）、量子點（Silicon Quantum Dot）、鑽石空缺（Diamond Vacancies）、拓樸線（Topological Qubit）以及光量子（Photonic）等等，都是現今正在積極發展的技術。而每一種技術研發也有不少競爭者，彼此相互較勁。
離子阱與冷原子是以控制原子為手段，而超導電路、量子點、鑽石空缺與拓樸線則是以控制電子為發展基礎，至於光量子便是以光子為操作對象，「就技術發展來看，現今較為熱鬧的是離子阱、超導電路以及光量子等三條賽道，投入的廠商與資金最多，也是最有希望可以實現量子運算的技術。」他提到，這三項技術各有優缺點，也有亟需克服之處，而IBM押注的超導電路是目前最熱鬧的一條賽道，成果也最多。
量子糾纏發展史
根據Zapata Computing的全球調查顯示，74%的受訪主管認為，若不能及時採用量子運算，企業將可能失去競爭力。此外，有將近七成的受訪者已經或計畫在2022年採用量子相關運算技術或服務。另一份來自安永的調查報告也觀察到，48%的高階主管認為2025年量子運算將在其所屬產業發揮重要作用。
台灣量子電腦暨資訊科技協會理事長張慶瑞指出，去年（2022）諾貝爾物理學獎頒發給法國阿蘭﹒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，正是因為這三位學者在量子科技核心技術的卓越貢獻，使得大眾的焦點再度關注到量子電腦的發展上。而這個核心技術便是量子糾纏。
「半導體科技的發展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。量子糾纏的出現，證實了跟尺寸大小無關。」他提到，1930年代愛因斯坦（Albert Einstein）與波耳（Niels Bohr）兩大物理學家便已針對量子糾纏展開了世紀辯論，只是當時的辯論比較像是哲學。這兩位物理學家辯論的重點即在於這個世界中有沒有量子糾纏。數學家貝爾甚至為此列出了著名的貝爾不等式，以證明量子糾纏並不具有超距作用。有趣的是，當時大家都是認同愛因斯坦的看法，結果卻發現愛因斯坦錯了。
數位退火側重於解決組合優化問題，可快速找到最佳解。（資料來源：台灣富士通）
「什麼是糾纏態？」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。
簡單地說，量子糾纏呈現的是一種違反直覺的現象，它說明了即使相隔數十億光年的空間，兩個亞原子粒子仍能夠緊密地聯繫在一起，而且就算距離很遠，雙方就像彼此有心電感應般，只要其中一個發生變化，另一個便會受影響。
他提到，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，愛因斯坦也深受此影響。「愛因斯坦與波耳辯論的重點便在於到底有沒有人事先知道箱子裡有幾個彈珠？波耳說事前沒有任何一個人知道，但愛因斯坦認為一定有人知道箱子裡有幾個彈珠，只是不知道這個人是誰。」張慶瑞繼續說明，由於牛頓力學裡沒有超距的概念，因此愛因斯坦認為，怎麼可能在台北打開就能影響到紐約，因為違反了局域論（Locality），怎麼可能在不看它之前不知道它的狀態，這也違反了實在論。
全球軍備競賽 科技產業競相投入
儘管量子運算市場備受看好，但平心而論，量子電腦現今處於非常早期的理論實驗與原型設計階段，所有量子電腦硬體技術都各有擁護者，例如IonQ、Honeywell、NIST支持離子阱，而Atom Computing、QuEra、Coldquanta押寶冷原子，IBM、Google、Rigetti、D-Wave以及Fujitsu則鎖定超導電路進行研究。在量子點方面，則有Intel、HRL、QuTech投入，至於Microsoft、Bell Labs則是鎖定拓樸線，Quantum Diamond Technologies、Fujitsu看好鑽石空缺，而Alibaba、PsiCorp、Xanadu則投入在光量子中。
事實上，量子科技已成為全球的軍備競賽，不少國家已將已將量子科技列為重點發展計畫，而台灣量子運算發展也在幾年前開始啟動，初期主要著眼於產官學合作，例如國立臺灣大學與IBM合作成立「臺灣大學-IBM量子電腦中心」（IBM Quantum Hub at NTU），經由雲端運算平台使用IBM最先進的量子電腦處理器，作為相關領域量子運算之學術研究和教育訓練使用；鴻海研究院在2021年率先宣布成立「離子阱實驗室」，由鴻海研究院量子研究所主導開發量子編輯器，投入離子阱量子電腦的開發規劃，預計5年內推出5到10位元開源、可編碼離子阱量子電腦，作為中、長期可擴展量子電腦的平台原型。
量子電腦的七種技術發展路線。（資料來源：IBM 引用自www.sciencemag.org/news/2016/12/scientists-are-close-building-quartum-computer-can-beat-conventional-one）
不只如此，政府也在去年（2022）也正式成立量子國家隊，佈局量子產業鏈。預計在5年總投入約新台幣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。同時，也預計於中央研究院南部沙崙院區設立量子科技研究基地，建置尖端研發核心設施及先進製程實驗室，藉此引導更多研究團隊進駐研究基地。
數位退火優化演算
近期，中原大學也攜手台灣富士通，成立DA量子計算中心，台灣富士通以雲端服務方式，提供量子啟發式運算－數位退火（Digital Annealer）技術，而中原大學則借重台灣富士通於量子運算領域的技術量能與經驗，著手培育未來量子世代人才，並期待集結產官學研科技能量，齊力創建量子科技的應用產業鏈。
台灣富士通數位共創事業處事業開發經理王榕朗指出，半導體產業預估摩爾定律將遭遇瓶頸，業界普遍認為量子電腦會是突破摩爾定律瓶頸的解決方案之一。不過在量子電腦真正的商業化之前，傳統運算與量子電腦之間需要一個銜接的橋樑，因此富士通也於2018年推出數位退火晶片（Digital Annealer Unit，DAU），2021年更推出整合運算顧問服務於全球推廣。
退火（Annealer）是一種物理現象，是熱力學中藉由能量的轉換找到全域最小值的過程，由於在緩慢降溫的過程中能量會趨向最穩定的狀態，因而能夠快速找到最佳解。而數位退火晶片（Digital Annealing Unit，DAU）是以半導體數位電路（Digital Circuits）模擬量子位元運算行為，因而被歸類為增強型退火法，其發展的目的主要是為了嘗試解決傳統計算無法實現的速度、精度及規模，執行平行且即時的優化計算，以便在幾秒內便能解決複雜的組合優化或是技術無法解決、曠日廢時的複雜難題。
他提到，目前DAU晶片已發展到第四代，這款晶片的優勢便在於可在常溫下運行，對比現階段只能於絕對零度（-273.15°C）下運行、且體積龐大的量子電腦，不僅可節省大量能源，也無須特定要求或複雜的基礎設施來支援運算，適用於大量需要最佳化演算的領域，例如製藥、物流配送、金融投資組合優化等等。
量子運算即服務 克服技術與人力挑戰
由此也不難想見，能提供量子運算的方式不僅僅只限於量子電腦，上文中提到的DAU可謂是另一種選項，但除卻這兩項之外，在傳統的古典運算中，也能藉由量子模擬器（Quantum Simulator）來加以實現。簡單地說，量子模擬器可以讓量子電路的軟體程式在古典運算中執行，就像是在量子電腦運行一樣。目前在量子技術生態系中也有許多廠商提供相關的演算法，例如由Google發起的Cirq、Microsoft開放原始碼程式設計語言Q#、本源量子推出的QPanda以及開源框架Qiskit等等。
由於通用型量子電腦目前仍在積極發展中，而且任何科技的發展初期進入門檻相對較高，甚至還要重新學習作業系統，人才培訓也是一大挑戰。再加上企業也已意識到，如果太晚接受量子技術，很可能會在競爭力方面喪失先機，這些種種因素也促成了量子運算即服務（Quantum Computing as a Service，QCaaS）平台的出現。
根據The Quantum Insider調查預估，到了2025年全球量子運算即服務市場可望達到40億美元，2030年將上看至260億美元。而這也代表著從2021年至2030年，這十年間的年複合成長率高到80%，也足以突顯出量子科技市場的潛力。包含Alibaba、IBM、Google、D-Wave、Fujitsu、Honeywell、IonQ、Microsoft Azure、AWS等等業者均提供相關解決方案。
AWS量子運算總監Simone Severini指出，量子運算是一項新興技術，旨在透過量子力學來解決目前古典運算難以解決的問題。為了讓企業更容易探索不同類型的量子電腦，AWS也提供了幾種方案，包含可讓研究人員和開發人員能夠存取不同類型量子硬體的量子運算託管服務、可幫助企業研究和確定最有前途的量子運算應用並為其業務做好準備的實驗室、與學術界合作構建容錯量子運算機的AWS量子運算中心，以及解決基本的科學和工程挑戰的量子網路中心。
「量子運算發展其實還在很早期階段，現在判斷哪種方法可行還為時過早，這也是AWS提供完全託管的量子運算服務的主要原因，其可以協助加快量子運算的科學研究和軟體開發。開發人員和IT決策者應該利用非依賴特定硬體的量子運算服務來試驗不同類型的量子運算硬體和方法。」他強調，不只是試驗，企業還需要考量萬一有一天，量子運算需要融入基於雲的IT基礎架構或是與其他運算資源一起工作時，可用性、安全性以及資源管理等問題應該如何克服。