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量子感測科技發展

關鍵字:量子感測導航系統
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賴志遠、國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心 發表於 2020年9月7日
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量子科技成為近年來除人工智慧外眾多媒體最感興趣且熱衷報導的科技議題。大部份人一談到量子科技多直接聯想到量子電腦或量子通訊,但許多業界咸認為量子感測將可能比前述科技更先一步進入廣大市場。

量子感測原理應用了包含電磁場、重力、應力、方向旋轉改變、溫度、壓力、時間等各種物理量,因此其應用範圍就涉及科學研究、空間探測、材料分析、慣性導航、地質探勘、災害預防等不同情境。目前比較受到瞩目的感測大致可分為重力測量、磁場測量、定位導航、目標識別、時間基準等類型(見下圖)。

圖、量子感測元件類型
 
精準的時間與頻率標準是現代通訊、雷達與導航系統的基本要求。目前,運用在GPS導航上的實驗室等級光學原子鐘已經實現比傳統微波標準提高幾個數量級的精確度。這顯示量子技術展現比傳統技術更為明顯的優勢。例如,量子陀螺儀的精準度將能夠使潛艇航行精確度能夠從傳統陀螺儀在24小時航行時誤差為2公里提高到航行數個月內只會誤差100米;原子鐘也能夠保證大宗的國際金融交易不會因為時間差而造成交易方的損失;另外一種應用則是應用在土木工程的量子重力計,這種量子重力計可以探測土方下的空洞、地下的各類渠道、設施等,較過去慣用的彈簧重力儀、探地雷達等傳統儀器敏感度更高。

目前對量子感測器的市場預估,市場調查公司多認為此市場仍處於萌芽期,技術上仍然處於探索期,許多新創及傳統的儀器設備商正在開發新產品來探索此類設備的潛在應用。Technavio Research即認為從2019~2023年,此類產品的全球市值將達2.46億美元,年複合成長率為11%;根據市調公司BCC Research 2019年所發布的報告,認為量子感測在全球市場在目前仍屬小眾市場,預期到了2024年全球產值將達到2.999億美元 (90億台幣),相較於總體的量子科技市場,量子感測確屬小眾;例如Inside Quantum Technology市調公司對量子計算 (主要是包含硬體、軟體、終端消費市場的量子電腦) 的全球產值預測則較為樂觀,認為到了2023年將達到19億美元(約575億台幣)。量子科技目前仍屬起步階段,但是它代表的是下世代的主流技術,台灣作為半導體及電資通製造大國,無法忽視此一趨勢。

國際上已經有許多廠商在此領域提出產品與服務,主要集中在歐美地區,如:
AOSense inc是一家位於美國加州成立於2004年的原子光學元件開發商,產品應用在導航、計時、重力量測等。AOSense主要利用冷原子技術設計開發了重力梯度儀和單軸加速計/陀螺儀,其產品與服務類型包含了陀螺儀、加速計、慣性測量單元(IMUs)、重力儀、重力梯度儀以及原子頻率標準等。

M Squared Laser Ltd.則是一家於於2006年成立於英國的公司,是一家雷射技術公司,其產品主要應用在量子科技、生物光子學和化學感測上。在製造、航天、醫療、油氣能源都能應用該公司的技術與產品,其產品包含各式紅外到紫外的雷射系統、超快雷射系統、層光顯微鏡 (light sheet microscopy)以及各類儀表設備等。

Muquans,成立於2011年的法國中小型企業,研究應用雷射致冷原子來操縱量子的尖端儀器開發商,是一家量子技術解決方案供應商。其產品包含絕對量子重力儀 (Absolute Quantum Gravimeter)、雷射冷卻原子時鐘、光纖中繼站 (repeater station)、雷射系統、雷射光學平台、高功率高效倍頻模組等多種先進光學系統。

從各國廠商所投入的現況來看,目前量子感測與元件的應用仍然主要集中在科學實驗、軍事國防用途及特定的環境監測等專業應用上及使用成本也很高。可預期隨著技術成熟、應用情境擴大,使用成本將可大幅降低至消費者接受的程度,但這需要多年後才得以實現。


(作者是國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心研究員)


(本文刊登於經濟日報2020/09/06)

 
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