發佈日期:2015-09-30

英國量子技術發展戰略

作者:王宣智

前瞻研究量子技術量子技術發展戰略Quantum technologiesNational strategy for quantum technologies

2012年諾貝爾物理獎得主美國溫蘭德(David Wineland)與法國雅霍許(Serge Haroche),專研於測量和操控非常脆弱之非破壞性單個量子系統,並成功地讓人類觀察到基本粒子以機率分布而存在的量子性,此實驗及觀測技術的突破,驗證了量子假說(Quantum hypothesis),也讓量子電腦和精準手錶等相關量子技術的應用更快推進至一般民眾的生活(吳俊輝, 2012; 吳豐旭, 2012)。

量子相關技術領域帶來更佳的演算法,更佳的運算能力,以量子電腦為例,量子電腦所處理的資訊透過量子位元進行運算,量子位元在運算過程可同時具有0、1及其線性的疊加狀態存在,此特性讓量子電腦具有更快的運算速度。量子理論也可應用在演算法的發展,如1994年AT&T的Peter Shor博士提出快速完成質因數分解的量子演算法ーShor的量子因式分解演算法,以因式分解一個300位數的半質數為例,若用古典演算法來解需要1024個步驟,若以古典的演算法以1012Hz的電腦進行計算,需15萬年的時間方能得到解答,但若用量子演算法僅需則只需要約1010個步驟,以相同運算速度的電腦,僅需1秒即可完成(管希聖, 2008; Yun-Ning, 2013)。

英國為全球量子研究的先趨者之一,在過去20年的量子研究投資讓英國擁有著充滿活力的量子研究學術社群。隨著科學的進展、新穎的製程與先進製造方式不斷的出現,英國量子技術戰略顧問委員會 認為目前為一個絕佳的時間,透過英國政策的推動,將量子技術研發成果從實驗室帶進市場(David Delpy, 2015)。英國政府為了掌握量子技術所帶來的機會,於2013年成立英國國家量子技術計畫(原名UK National Quantum Technologies Programme,由QTSAB所主導)並投入2.7億英鎊。

雖然英國已投入量子技術計畫,但是為了促使英國能在未來量子技術占據領先地位,保持學術界與產業社會的研究動能與能量整合的必需要,先前的投入已讓量子技術產業於英國生根、開創了有利的社會環境。但持續性的投入將讓英國在量子技術產業獲得立足之本,刺激新興產業的發展。因此英國量子技術戰略顧問委員會擬定的國家量子技術戰略(National strategy for quantum technologies),透過促進產官學研之間的合作,使英國在未來的量子技術時代能夠占據全球領先的地位,並提升英國產業的競爭力。

國家量子技術戰略再重申量子技術對全球市場當成深遠的影響,英國國家量子技術計畫的投入已促使英國在量子技術巨大的進度,包含了量子技術社群的動能、量子導航和重力影像等。對於未來英國的量子發展,國家量子技術戰略認為英國可以透過(一)在英國奠定堅實的基礎研究能量;(二)刺激應用與市場機會;(三)提升英國勞動力技能;(四)創造正確社會與監管環境;(五)透過國際參與等五個面向投資,以維持英國在量子技術之領先優勢。五面向的建議推動策略分別為(David Delpy, 2015):

一、 奠定堅實的基礎研究能量

英國具有高效能與高生產力的基礎,在工程與物理科學研究領域,英國在2008-2012年的研究排名位居全球第2。過去透過國家量子技術計畫(National Quantum Technologies Programme)已建構出英國的開發量子技術社群,且有多學門領域與不同身份的研究人員加入共同合作研究。但維持研究社群的研究動能並不容易,英國政府應透過鼓勵開發已投資之技術,持續投入發展與維持開放基礎設施,以奠定堅實的基礎研究能力。

建議推動策略:

1. 透過10年期計畫的推動,活絡產、學、研對量子技術社群參與意願,以加速形成英國量子技術生態系統

2. 應持續投資英國的是量子研究與量子研究設施

3. 開放企業使用英國大學中最先進的量子研究設施

二、 刺激應用與市場機會

量子技術將讓精準計時、感測器、運算技術有重大的進展,未來將影響著金融、國防、航太、能源與通訊相關領域。從市場觀點,量子技術最早的商業機會將會落在量子元件與設備的製造商,爾後才會擴展至其它的量子技術的參與者。量子技術是相當重要的,除了英國政府的持續投資外,也應吸引私有資金的投入研究,除了活絡量子技術社群,也能透過企業的參與創造新應用的可能。

建議推動策略:

1. 透過量子技術發展藍圖與建立示範區的方式,鼓勵私有資金的投入,且對於新興量子技術的先期採用者給於政策支持

圖1 量子技術產品化、商業化藍圖
資料來源:David Delpy (2015), National Strategy for quantum technologies

三、 提升英國勞動力技能

英國的勞動技必需能夠增長,方能更快的適應新興產業需求。量子技術轉化為商業產品的過程需要新一代的量子工程師,其領域包含了物理、工程、光學、電子、資工等領域。當勞動力具有跨領域的知識與商業技巧,將更有利於適應新興的產業。量子技術人才的培育需要學術界、產業界、政府共同投入,方能得到平衡量子技術人才的供需。雖然高等教育機構已透過參與工程暨物理科學研究理事會的博士助學金計畫,進行人才培育,但仍需要更進一進的努力。透過量子技術研究計畫的執行,促成訓練人員、量子技術的人才知識交流與共同合作。共同工作,就是關鍵,透過不同背景和專長的團隊合作,創建多樣化與了解量子技術所需的技能。

建議推動策略:

1. 透過動態與彈性的人才培育機制,滿足未來產業需求

2. 支持人員、創新、創意概念在產官學研間自由的流動

四、 創造正確社會與法規環境

英國社會早期與大範圍的社會參與方能創造英國在量子技術時代的經濟機會。大量的早期參與者不僅僅有利於創新行為的發生,且能確保量子技術的商業可行性,並促進建立量子技術的規則與技術標準體系。為了達到上述的目標,應從量子技術的研究與創新、量子應用的法規與標準雙軌推進,以保持英國在量子技術領先的優勢。

建議推動策略:

1. 推動有利於量子技術發展的法規和技術標準制定,以及鼓勵創新之機制

五、 透過國際參與

英國堅實科技能量讓英國在量子技術發展具有領先全球的機會,但不單單英國意識到量子技術的潛在價值,美國、澳洲、中國、新加坡等也在建立量子技術卓越中心。如何確保英國的量子技術領域呢?應透用國際合作,引導英國的學術界與產業界從技術端提供最大的價值。英國政府應繼續支持國際合作,以吸引最優秀的人才至英國研究,並吸引外國資金挹注於量子技術研究,透過國際參與的方式,讓英國的量子技術研究與量子技術研究中心升為國際網絡的主要合作夥伴。

建議推動策略:

1. 維持英國在量子技術的競爭優勢,在量子設備、元件、系統和專業知識,成為全球量子技術的供應商,且在全球量子技術發展扮演領先角色

英國政府於2015年3月23日承諾將投入1,500萬英磅於量子技術人力資源培育,並訓練次世代量子工程師以發展創新產品,如6G智慧型手機,投入研究經費將透過英國工程暨物理科學研究理事會打造一個座落於英國量子技術的技能中心,並與產業界合作,提供博士生的培訓與職涯發展計畫(Gov.UK, 2015)。

目前量子應用相關的問題也被逐漸的解決,Google和加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員向外界展示了他們對多組量子位元進行編譯的能力,並依此來檢測某些特定類型的錯誤(Tom Simonite, 2015)。IBM則運用正方形晶格檢測出分別為位元誤差和相位誤差,在同一時間可檢測兩個錯誤(Córcoles et al., 2015; R. Colin Johnson, 2015)。量子相關技術領域帶來了更佳的演算法、更快的運算速度、更安全的加密技術,當量子技術逐漸成熟,將會影響目前的半導體產業的發展方向。

英國的量子技術發展戰略不僅僅著眼於量子技術的技術發展路徑,還強調了量子技術的市場機會、勞動力需求、量子技術發展所需的社會規範與技術標準需求,更強調透過國際合作來創造自身的優勢,英國政府也積極的回應並承諾投入未來量子技術的開發。

科技的發展,除了持續性的技術改善外,也應該注意取代型技術的發展,而量子技術相關應用,對於目前行動裝置、運算技術具有取代作用。從英國的量子技術戰略可發現,政府的科技研究投入,不僅僅是回應現在的社會需求,但更重要的一點,是透過現在的科研投入,能替國民帶來更美好的未來。

參考文獻

  1. Córcoles, A. D., Magesan, E., Srinivasan, S. J., Cross, A. W., Steffen, M., Gambetta, J. M., & Chow, J. M. (2015). Demonstration of a quantum error detection code using a square lattice of four superconducting qubits. Nature Communications, 6. Retrieved from http://www.nature.com/ncomms/2015/150429/ncomms7979/full/ncomms7979.html
  2. David Delpy. (2015). National strategy for quantum technologies. UK: Innovate UK and the Engineering and Physical Sciences Research Council.
  3. Gov.UK. (2015). £15 million to train next generation of quantum engineers. Retrieved June 10, 2015, from https://www.gov.uk/government/news/15-million-to-train-next-generation-of-quantum-engineers
  4. R. Colin Johnson. (2015). IBM Solves Quantum Computing. Retrieved June 11, 2015, from http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1326468& Tom Simonite. (2015). Google Researchers Demonstrate Breakthrough Needed for Quantum Computing. Retrieved June 11, 2015, from http://www.technologyreview.com/news/535621/google-researchers-make-quantum-computing-components-more-reliable/
  5. Yun-Ning. (2013). 地表上最強電腦即將現身!量子迷,千萬別錯過!. Retrieved June 11, 2015, from http://buzzorange.com/techorange/2013/06/13/an-inside-look-at-the-worlds-newest-quantum-computing-and-nanotechnology-center/
  6. 吳俊輝. (2012). 今年的諾貝爾物理獎關我什麼事 ——「新量子時代」即將來臨!. BBC知識國際中文版, (15). Retrieved from http://www.dgnet.com.tw/articleview.php?product_id=3333&issue_id=3588&article_id=18464
  7. 吳豐旭. (2012). 2012 年諾貝爾物理獎介紹-量子力學概念向現實世界拉近. 物理教育學刊, 13(2), 145–166.
  8. 管希聖. (2008). 淺談量子資訊與量子計算. 物理雙月刊, 30(5), 497–499.