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擬定量子科技發展策略 找出台灣位置



發布日期: 2020-02-13-2021-02-13

日前美國總統川普計劃向國會提議,增加AI與量子科技的研發經費,希望2022年AI的研發經費從9.73億美元倍增至20億美元,量子科技的研發費也倍增到8.6億萬美元。雖然白宮顧問兼CTO Michael Kratsios拒絕證實上述數字,但在一份聲明中表示,「預算將確保美國在AI和量子等關鍵技術上繼續領先。美國的經濟實力與國家安全都將取決於它。」

當然,光電協進會認為在美國每年約1,300億美元的聯邦研發經費裡,AI或量子科技研發經費的比例僅約2.2%。(畢竟還有其他很多研發項目)然而川普政府擬倍增AI與量子科技的研發經費,這顯示了美國政府對這兩項科技的重視程度,至少在經費上,與中國大陸約24億美元的經費等量齊觀;雖然中國大陸在總研發經費上仍不及美國。

美國企業瘋量子科技

2018年美國聯邦政府1,273億美元的研發經費佔了美國整體5,800億美元研發經費的22%。美國主力的研發經費仍出自企業,達4,042億美元,佔有70%。這表示美國科技的研發主力仍有賴民間企業,尤其如Google、Microsoft、IBM、Intel、Facebook、Amazon等公司。而在量子科技的研發投資上,亦是如此,Google、IBM、Intel、Microsoft等四大公司正在此領域競逐,並能以一家公司之資源,與中國大陸等國家級的資源做抗衡。我們來看看目前幾家公司在量子計算方面的發展程度。

首先有一家加拿大公司D-Wave System在2000年代初期即投入量子計算,並在2007年展示了全球第一台的量子電腦,而其中設備在2017年受到NASA採用。2020年該公司預計要發表最新的系統,號稱有5000個量子位元(quantum bit, “qubits”)的技術。

Microsoft 2011年開始發展量子計算,並在2019年開放其發展出來的量子電腦程式語言-“Q#”,並與IonQ、Honeywell,和qci等公司合作,推出雲端量子運算服務-Azure Quantum。Microsoft藉此技術打敗Amazon,贏得國防部為期十年、金額高達百億美元的雲端計算合約。(Amazon為此而提告川普)投資者對Microsoft的雲端量子計算業務似乎很買單,使得Microsoft股價在2019年上漲了55%,擠下Apple,奪回全球市值第一的寶座。

Intel在2015年藉由投資了QuTech公司而進軍量子科技,在2018年開發出所謂的Tangle Lake晶片,創下了49 qubits的里程碑。Intel也設計出可以評估量子晶片性能的測試工具。2019年底Intel發表了新的低溫控制晶片-Horse Ridge,號稱可加速開發全堆疊式的量子計算系統,締造量子電腦商業用途的里程碑。

IBM最早在1990年代後期即投入量子領域的研究,2019年初發表了全球首台以電路為基礎的商用量子電腦-20 qubit的IBM Q System One。此外IBM也提供大眾經由雲端來運用其量子運算的服務。2020年初的CES上,IBM也已提升其Q Systme到32 qubit,還號稱每年可以倍增qubit位元數。IBM的合作夥伴組成了Q Networking,提供化學、金融、機器學習等主要應用領域的計算服務,來解決這些領域最佳化、數學、模擬等問題。例如IBM即利用量子計算協助賓士汽車尋找電池新材料。

Google較晚參與量子競賽,但有後來居上之勢。Google在2019年首次利用量子電腦解決了傳統電腦無法解決的數學問題,取得了所謂量子優勢(Quantum Supremacy)的成就。所謂的量子優勢是衡量量子電腦與傳統電腦在計算能力上的分界線。量子電腦應該要具備有傳統電腦力有未逮的計算能力,才算是有所謂的量子優勢。Google高調的宣稱其名為Sycamore的54 qubit晶片在200秒內解決了一個因數分解問題,而該問題如果利用傳統的超級電腦來解決需要花上一萬年。

量子計算市場年成長超過50

因應量子風潮,幾家市場研究公司也針對量子計算、量子通訊、量子加密等各式的量子應用市場做評估。根據Prescient & Strategic Intelligence最新所發佈的市場研究報告,2019年全球包含軟硬體與服務的量子計算市場達5.071億美元,預計到2030年將達到6,498.83億美元,這段期間複合年增長率為56.0%。量子計算所採用的技術有量子點(QD)、離子捕獲(Trapped Ions)、量子漲落(Quantum Annealing)等,其中量子漲落在2019年技術分類中的比例最大。在應用的行業別中,銀行金融服務保險業(BFSI)是量子計算服務的大客戶,較國防太空、製造業、醫療、資訊、能源等行業的需求更為殷切,因為大銀行較有願意投資此技術,以確保他們的金融交易安全無虞。而在量子計算的應用方面,與機器學習(ML)結合的應用成長最快,高於解決數據問題、最佳化、模擬其他應用。

雖然量子計算的競爭日趨激烈,但產品差異化的程度也高。除了上述所提及的Google(Alphabet)、IBM、Intel、Microsoft、D-Wave、IonQ等公司之外,還包括有Telstra、Silicon Quantum、Rigetti、Zapata,和華為、阿里巴巴,以及全球130多家公司或研究機構正從事與該科技相關的研發。

台灣如何趕上量子計算熱潮

根據科技部相關的新聞,在未來幾年內台灣預計每年投資7,000萬新台幣(239萬美元)用於量子計算的開發計劃,並與IBM公司合作培養三到五個研發團隊。例如台大IBM量子電腦中心已於2019年成立,作為量子計算、編寫程式的教學中心。另外,在展會的座談上,與談者也皆有期望台灣可以藉由半導體產業的經驗與優勢,發展量子科技。

光電協進會認為台灣資源畢竟有限,每年投資數百萬美元在量子科技的經費,實在難以與國際級大公司動輒數千萬到上億美元的投資做匹敵,故台灣要做的事情一定與Google、IBM不一樣。我們能做的是擬定量子科技的發展策略,找出台灣能卡到的位置,無論在軟硬體或應用服務等方面,並瞭解到半導體技術也不一定能在量子爭霸賽中佔到什麼優勢,還是得從教育、培訓等基礎做起。