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量子技術熱潮不斷,未來十年可望商品化

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羅濟威、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

圖、量子技術熱潮不斷,未來十年可望商品化
 
由於科技的進步,各種資料量的成長呈現急速的攀升,但隨著半導體產業走入摩爾定律末期,電晶體與導線尺寸已趨近極限,傳統電腦受限於運算模式,僅靠增加運算元件的方式來提高資料處理速度及資訊量的方式,將導致耗能以及成本的增加,但量子運算技術卻因為具備了可同時大量的平行運算的特性,可大幅的增加處理速度以及容量,理論上俱備50個量子位元(qubit)的量子電腦就已經超越了當今超級電腦的計算能力,也因此被視為解決後摩爾時代困境的良藥。

量子運算能夠具備快速運算以及大容量的優勢之主因在於量子疊加(superposition)以及量子糾纏(entanglement)特性。傳統運算是以位元(bit)的形式處理資料,透過0與1兩種狀態的切換來描繪數學邏輯,但量子運算則是透過量子位元(qubit)來處理資料,量子可隨時在0與1之間轉換而產生不同的比例組合,例如2個位元僅能儲存(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)其中一個組合,但2個量子位元即可同時儲存(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)的組合,而n個位元僅能儲存1種的組合,但量子位元則卻可以儲存2n種組合,而在運算上,n個量子位元可能同時對2n數據進行運算,但傳統的運算上則需執行2n次,或採用2n個處理器來進行;量子糾纏則是指同一事件所產生的兩個量子,彼此之間是互有關聯的,以電子作為量子為例,當其中一粒電子或得能量後被偵測出自旋向上,則另一粒電子必定為自旋向下,而這種特性則可讓數據保持同步,解決需透過編寫大量的代碼來維護數據的同步和互斥問題。此外,量子還具備了不可複製(noclonability)的特性,此種特性會讓量子在傳輸過程中,一旦被竊取,資訊量就會因而減少造成傳遞的失真,若改為觀測,則又會因而對量子訊息產生干擾而被發現,而這項特性也成為現今量子資訊學的基礎,這也恰巧解決了傳統上使用難解的數學難題進行加密會被量子電腦輕易破解的問題。也因為量子技術的上述特性,隨著技術的成熟達到商業話後,將會為需要巨量資料處理的創新材料製造、化學製藥、人工智慧、網路安全和金融科技等領域帶來顛覆性的影響。

量子技術的發展自1900年的第一次量子革命所帶來對於量子的理解與預測後,隨著對微觀世界在觀察及控制技術的進步,相關的理論以及應用也日趨成熟,如今量子技術已進入了第二次量子革命,此階段開始著手嘗試使用工業設計來開發量子系統,並用於系統工程、材料研究、醫療、通訊、半導體和光子學等應用上,目前量子技術距離市場化的時間也逐漸接近,根據Inetl的推估,在2015-2025年間量子技術將會進入商業化的「系統期」,相關技術將從理論進入實踐並趨向完備,而google則在2019年於NASA艾姆斯研究中心(Ames Research Center)網站上所發表的“量子霸權”一文中則指出量子技術在10年內將可實現商品化。在廠商的投入方面,由Yole Développement在2020年公布的量子技術報告顯示,目前量子領域的應用以量子計算及其軟體的投入最多,在全球185家主要投入廠商中有26%的廠商投入其中,包含了知名大廠Intel、IBM、微軟、google、D-wave以及rigetti等,這些大廠由於很早便投入於量子領域的探索,目前已打造出量子電腦的雛形,包括Intel的Tangle Lake、IBM的53 qubit量子電腦、google的54 qubit的Sycamore;而在量子計算的軟體應用上則有25%的公司投入,包括softwareQ、1QBit、Zapata computing、QxBranch等工司;量子通訊的投入廠商數量占整體的19%,包含IDQ、問天量子、QuantumXchange等公司,而投入於量子感應器的廠商則占8%,包括Thales、Bosch、Muquans等公司,其他投入於週邊相關技術與服務廠商數量,共占了25%。

目前量子市場被預估將於2026-2027年間快速發展,技術應用市場包括量子計算、量子密碼和感測技術的整體市場價值會從2020年的5.3億美元成長到2030年的32.6億美元,年複合成長率達19.9%,其中,量子計算及軟體領域市場被預估將會有最高的成長率,預計將從2020年的0.3億美元上升到2030年的19.2億美元,年複合成長率達50.2%,其中主要價值在於量子退火技術,此外,新興技術如量子即服務(QaaS)以及量子電腦的普及也將加速量子計算市場產值的升高,而在與通訊相關的量子密碼市場,則預估在2020到2030的10年間,會因新通訊技術如5G的出現與普及,加速該市場的擴大,產值將會從0.8億美元上升到2030年的7.9億美元,年複合成長率達25.1%,而感測技術市場相較於前兩個領域,市場的成長則相對較低,相關產值預估將從2020年的4.1億成長到2030年的5.5億,年複合成長則僅達到2.8%。


(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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