古典電腦VS量子電腦大對決
量子電腦 新興技術聚焦
歐美日等國積極爭取話語權 IBM預期十年內進入商用 技術處盤點發展趨勢 為產業找切入點
1970年代，英特爾（Intel）創始人Gordon Moore首度發表「摩爾定律（Moore’s Law）」，他指出每隔18到24個月，同樣一顆積體電路（IC）可容納的電晶體數目就會倍增、使性能同步提升。其後半世紀，IC製程技術就幾乎遵循摩爾定律，每隔二年推進一個世代的速度演進，帶動個人電腦、手機、物聯網、雲端運算產業的蓬勃發展，IC晶片堪稱現代科技業所不可或缺的重要戰略物資。
2020年，先進半導體製程已邁入5奈米時序，緊接著2022年底3奈米晶片將準備量產，並預期1至2奈米晶片可望在不久後問世。然而，礙於先進半導體製程即將面臨原子尺寸的微縮工藝挑戰，摩爾定律將可能在2030年前走入終點，因此全球開始將目光放在新興量子電腦（QuantumComputer）技術布局與研發方向。
例如美國《國家量子啟動法案》、歐盟《量子技術旗艦計畫》、日本《光／量子飛躍旗艦計畫》、中國大陸《十四五規劃》、俄羅斯《量子行動計畫》等，顯示各方積極爭取量子科技的話語權。而國際科技巨擘IBM、Google等早已積極擘劃量子電腦技術藍圖，IBM更直言未來五至十年內，量子電腦將可進入商用化市場。而經濟部技術處亦為台灣量子電腦技術，提前盤點市場發展趨勢，藉此為台灣產業找到商機切入點。
現今市面上的各種運算裝置皆為「古典電腦（Classical Computer）」，其原理是透過積體電路上密布的微細電晶體元件來運作，藉控制電流通過與否來記錄數據，如開為「1」、關為「0」，亦稱為二進位制的古典位元（Bit），僅具備單向運算能力，隨著問題複雜度的提升，其所需的運算時間亦將同步大增。
所謂「量子電腦」是一種基於微觀量子力學理論所設計，可針對特定複雜問題進行快速運算的次世代電腦。其最小運算單位「量子位元」（Qubit），可同時記錄0與1兩筆數據，就好像既活又死的「薛丁格的貓」，且每增加1個量子位元，其運算量將呈指數級成長，彷彿擁有平行運算（Parallel Computing）的能力。
舉例來說，古典電腦N個位元的資料量就是N，而N個量子位元的資訊量卻高達2N個。因此，當量子位元數來到50個時，將可在同一時間運算高達1,125兆次，這種運算能力已凌駕當今世界最強的超級電腦，象徵「量子霸權（Quantum Supremacy）」里程碑，可挑戰真實世界難以處理的超複雜問題，例如即時車隊派遣、投資組合、新藥研發等商業應用領域。
目前量子電腦有兩大發展途徑，一是遵循量子力學的「通用量子電腦」，是由許多量子位元組成的物理系統，可執行各種量子演算法，如大數質因數分解的秀爾演算法、非結構化資料庫搜尋的葛洛夫演算法等。
當前量子電腦硬體實作技術呈現百家爭鳴，如IBM與Google的超導體（Superconductors）、Honeywell與ionQ的離子阱（Ion Trap）、Intel的量子點（Quantum Dots）等，至今還無法評判何者能勝出，不過共通點都是硬體投資門檻相當高，部分更要求超低溫操作環境。
因此台廠可切入硬體周邊與關鍵零組件，成為國際大廠的合作夥伴，例如發展Cryo-CMOS製程，開發低溫微波控制與讀取電路，以先進半導體技術支持全球通用量子電腦的突破發展。
另一種是「量子啟發電腦」，這是運用古典「位元」來模擬量子電腦的替代方案，有固定的電路設計，只適用「特定運算」的演算法與問題模型，並取得優於古典電腦的「加速」結果。其主要優點是可在常溫下操作，相較「通用量子電腦」更容易商用化，如日本富士通的「數位退火電腦」。由於「量子啟發電腦」主要基於半導體工藝技術，台廠可投入關鍵的數位退火晶片（ASIC、GPU、FPGA）與應用模型發展，優先服務國內社會需求，未來更可積極拓銷海外。
無論是「通用量子電腦」或「量子啟發電腦」，台廠都必須善用半導體產業領先優勢切入新興供應鏈，藉機深厚我國量子科技的研發基礎與應用解題能力，並培育新生代量子原住民（Quantum Native），務實追趕上全球正加速行駛的「量子革命」列車。
（作者林信亨；經濟部技術處ITIS智庫研究團隊研究成員）
發揮半導體優勢 彎道超車
近年量子科技的運用中，量子電腦因較古典電腦具強大的運算能力及重量級應用，受到全世界各國與高科技廠商極大的關注與投資，學術界與產業界更掀起研發熱潮。量子電腦發展過程中，量子位元控制讀取電路是關鍵因素，並大量仰賴半導體製程與電路設計相關的尖端科技。
經濟部技術處運用科技專案計畫推動關鍵產業技術，結合台灣半導體產業優勢，發展控制與讀取量子位元的「低溫電路關鍵模組」，提供「通用量子電腦」面臨擴充性困難時的解決方案。在量子電腦產業初期投入資源，進行突破性的研究與開發，有助台灣在第二次量子革命的浪潮中站穩關鍵位置，持續樹立半導體產業的領先地位。
現在主流的「通用量子電腦」硬體製作方式有三種：超導體、離子阱及量子點。其中，超導體量子位元在製作及可擴充性上都有較佳的發展可能性，是最有機會商業化的技術。IBM與Google在全球通用量子電腦領域居領先地位，2021年底IBM發表127量子位元（qubit）超導體量子電腦「Eagle」，並提供全世界研究單位做為量子演算法實際運算的場域。
超導體量子位元極脆弱，易受環境雜訊干擾，使儲存於量子位元的資訊發生錯誤。因此超導體量子位元需在10mK冰箱（零下273°C稀釋冷凍機）的環境下操作，以降低環境熱輻射的影響；即便在低溫環境下運作，超導體量子位元仍須由數個量子位元形成一個單元，藉由彼此的互相耦合來進行錯誤更正，才能使量子位元的錯誤率降低至可使用的範圍。在此情況下，一台可以解決真實問題的量子電腦，估計需由數萬甚至數百萬個量子位元數構成方能達成。
超導體量子電腦中，每一量子位元需要透過導線傳送頻率為4-10GHz的微波訊號進行控制，使量子位元內部的資訊處於0、1或是0與1的疊加狀態。當計算結束後，再以微波讀取量子位元的狀態。
與古典電腦不同，量子位元控制與讀取的導線是各自獨立，且無法與其他量子位元共用。若超導體量子位元數增加至數萬或是數百萬個時，隨著由室溫進入冰箱的導線數目增加，將可能引入更多的環境雜訊，造成負面影響。
低溫電路模組（CryoCMOS circuit）是最被期待可解決此問題的方式。將產生微波訊號的儀器設備，微縮成單一的低溫控制讀取模組，操作於冰箱中溫度4K的區域，僅須透過少數的數位訊號傳送命令至低溫模組，由模組直接發送微波訊號，操控與讀取量子位元內部資訊，大幅降低引入冰箱的導線需求，阻絕環境干擾。
目前量子電腦研發仍處於早期階段，在處理真實世界的問題前，擴展量子位元數目的製程技術上仍有些問題須克服。但在技術處科專支持與產業推動下，台灣應能發揮半導體上的優勢，在量子電腦技術上彎道超車，再創新局。
（作者吳志毅經濟部技術處量子科技關鍵元件及電路模組開發計畫資深技術專家）
多面向布局 推動應用落地
隨著後摩爾定律時代來臨，半導體產業將難再享有過去「摩爾定律」的可預測性成長和收益，產業技術重心逐漸轉移至軟體、演算法、新運算模型（如量子運算）和領域特有架構（Domain-specific Architecture）等創新，從而改變產業生態。
由於量子運算可解決傳統電腦難以解決的問題，被視為後摩爾定律時代最重要技術趨勢之一。經濟部技術處提早投入量子運算研發領域，藉此為台灣半導體廠與科技業者布局量子運算市場。
由於「通用量子電腦」尚需克服量子位元擴充、錯誤率、稀疏連接等挑戰，距離實用化較遠，因此採取「特殊用途量子電腦」解決「量子電腦特殊用途」，兼顧短期效益與長期布局的量子運算策略便應運而生。基於此策略，「量子啟發運算」發展方興未艾，日本主要由富士通、東芝、日立、日本電氣（NEC）等公司領軍，並已開始商轉，如Fujitsu DACS數位退火雲服務，保持全球領先地位。
「量子啟發運算」主要採用基於半導體的數位運算技術，模擬「特殊用途量子電腦」，專門解決金融、化學（藥／材料）、AI、先進製造等領域組合優化問題，現階段即可槓桿半導體和資通訊產業，未來也可銜接量子運算，是後摩爾時代極具商業價值的新興運算技術，也是企業跨越數位運算與量子運算鴻溝重要布局，可為半導體和資通訊產業變革帶來新契機。
量子啟發運算主流之一的「退火運算（Annealing）」，其靈感源自傳統冶金熱退火技術，這是將金屬材料加熱到高於再結晶溫度，再緩慢控制降溫，藉由物理原理改變材料微結構，最終趨向能量最低、最穩定狀態。
退火運算是將優化問題的成本函數轉換成對應物理系統的能量函數，再運用物理原理與系統搜尋最低能量狀態—即最優解。以Google Map搜尋最短時間路徑為例，透過古典電腦需設計演算法處理大量資料，並透過古典電腦指令逐步計算求解。
若用退火電腦，直接將對應成本函數的能量函數帶入量子或模擬量子物理系統中，透過量子物理原理進行計算。由於在物理系統退火過程中，系統狀態會朝低能量處即時更新，且當系統處於局部最低能量處、即次優解，仍然有機會跳脫局部再搜尋全域最低能量處、即全域最優解，因此可快速、有效的求解。
雖然古典電腦與量子電腦最終目的相同，但運算原理與系統架構迥異，量子啟發運算有機會以很短時間處理大量資料找到最優解，換句話說，可運用其大幅提升如AI訓練或其他棘手應用的效能，克服目前古典電腦運算時間過久、能耗需求高等問題。
量子啟發運算關鍵技術包括：1、優化問題前處理：含物理系統能量函數（如易辛模型）轉換、大問題分解、嵌入以及量子啟發處理器參數調校等。2、量子啟發處理器：主要採用GPU、FPGA或ASIC等高效能運算晶片開發，具有位元數易擴充、零錯誤率、高連接性以及室溫運作等優點，恰可彌補「通用量子電腦」之不足。
此外，採用FPGA或ASIC的量子啟發處理器可因應不同需求客製化，彈性運用在雲端運算或邊緣運算，有助探索更廣泛應用，如5G、自駕車、金融交易等。而基於量子啟發優化演算法、軟體和應用，未來也可輕易移植到實用化的量子電腦運行。
國內通用量子運算尚在起步中，但既有半導體和資通訊產業已具備發展量子啟發運算優勢條件。技術處以科技專案支持資策會、工研院等法人單位投入研究，並結合研究型大學中物理、資工、電機等系所培育跨領域人才，研發量子優化演算法、軟體、應用及硬體加速器技術。近期在公部門、公協會推動下，更帶動電子、半導體、石化、金融等領域業者主動合作，並吸引國際領導廠商富士通在國內尋求策略夥伴，推動應用落地，迎來新契機。
展望未來，半導體和資通訊業者可借力使力，例如晶片設計、矽智財、電子設計自動化（EDA）等公司適合布局量子啟發運算矽智財或晶片；專用型伺服器系統商或裝置供應商適合發展量子啟發優化加速器；量子新創公司適合與大公司結盟或自主營運發展量子啟發運算雲服務，從多種不同面向布局量子啟發運算新興市場。
（作者于濂波；經濟部技術處資策會創新前瞻技術計畫研究成員）
本文同步刊登於2022/07/03經濟日報A11產業追蹤