量子科技距離商業化還有多遠?

導讀
量子科技已成為科技產業的新顯學,未來將取代高速電腦能夠處理非常複雜的運算。因此,對於未來的醫療、通訊、金融服務、交通、AI、天氣預報等領域將產生重大影響力。雖然,目前專家預估進入商業化應用仍須十年工夫,但基於它的破壞性技術創新,因此吸引許多國家以政府預算培植人才及技術研發,同時也獲得全球科技大廠目光來投資及開發。
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量子運算是基於物理學中量子理論的新興技術,它解釋了粒子在亞原子水平上的行為,並指出這些粒子可以同時存在於不同位置。一般電腦運算是以1和0來儲存訊息,而量子計算機不受當前數據處理的二進制性質的限制,因此可以提供指數級的運算能力。量子運算是一種利用量子間纏繞、疊加現象來處理資料,且運算速度比超級電腦快上千倍的新科技。

根據Kenneth Research研究,2016年全球量子運算市場規模為8,935萬美元,預計2025年將可達9億4,882萬美元,平均年複合成長率達30%。根據研究,開發量子計算機將為各個行業帶來巨大的優勢,因為這些超高速電腦將能夠處理當今電腦無法處理的非常複雜的運算。因此,對於未來的醫療、通訊、金融服務、交通、AI、天氣預報等領域將產生重大影響力。

也就是說,量子運算工具將徹底改變包括醫療保健,物聯網和網路安全在內的多個產業。近年來,有鑑於醫療保健研究所產生的數據激增,因此製藥公司最有可能成為量子計算機的第一個商業客戶。

現今製藥公司在研發新藥方面,面臨摩爾定律反方向走勢的情況,發現藥物開發的成本呈現每九年翻一倍的情況。隨著人體健康相關的數據量的處理變得越來越繁重,這對於超級電腦想要解決大數據問題變得花費更多時間,如果量子運算真正能夠進入商業化,就能夠解決製藥產業的大數據問題。

此外,量子運算也將對網路安全產生重大影響,而且幾乎影響到當今的每一家大型公司。基本上,現今網路安全是依賴於加密演算法。如果透過量子運算縮短一般電腦運算的時間,這就會淘汰現今的網路安全。

一、量子運算是下一個革命性科技或產品、未來10年商業化

量子運算現在是科技產業的顯學,已吸引全球科技大廠目光來投資及開發。谷歌(Google)研究人員曾發表一篇證明谷歌實現53 Qubits“量子霸權”論文,在2019年9月NASA 艾姆斯研究中心(Ames Research Center) 網站上,短暫發表後,卻引起高度討論。

所謂“量子霸權”指的是量子計算機的計算能力超越傳統計算機。其中,一個重要指標是量子比特(Qubit) 數量,有學者認為,達到50個量子比特的量子計算機,被認為達到“量子霸權”。達到“量子霸權”的量子計算機將給人類文明帶來重要影響,例如實現更快的AI、加速新藥研發、自動駕駛車等等。不過,它也會對現有加密技術產生重大挑戰,就是量子計算的超強運算力可能對金融交易加密產生巨大破解力。

谷歌聲稱通過在53量子位元的量子運算晶片上的量子計算機,能在200秒內完成運算,這幾乎是超級電腦需要花費1萬年才能達到的運算水準。谷歌執行長Sundar Pichai曾接受麻省理工科技評論專訪,Google認為仍需等10年才能構建出性能更優的量子計算機、量子計算與AI 技術一樣重要。內容摘要如下:

(一) 谷歌團隊構建量子計算機是一個極其複雜的工程,從晶圓和製造邏輯門開始,一層層堆疊製作晶片,然後用AI 技術對運算進行模擬,再從每次測試中不斷調整精進,才換來了53 Qubits量子霸權(Quantum Supremacy)研究成果。

(二) 量子計算與AI 技術一樣重要!谷歌AI量子實驗室中操控量子位並維持疊加態,因為自然界最根本的運行法則與量子力學有關。同時,他認為量子計算與AI兩者間存在著很強的共生關係,目前該二者都還處於早期發展階段,未來他們會從更進一步的發展中更加互相滲透,比如AI 可以被用來加速量子計算,而量子計算又能被用來加速AI 演算法,他認為只有將二者深度結合才能產出真正的果實,並助力解決包括氣候變化在內的許多急需解決的棘手問題。

二、各國紛紛加入投資國家級量子技術發展行列

圖1 各國家啟動國家量子計劃

即使還要10年,但基於顛覆性及國家競爭力,目前已經啟動國家量子計劃的國家,如圖1。除了公開宣布的國家計劃外,許多國家還同步祕密開發涉及國家安全的應用科技。

(一) 我國科技部積極投入量子基礎研究

科技部從2018年開始,每年投入台幣1.7億元(約570萬美金)。以矽為材料研發出量子計算機技術,延續台灣在半導體領域的優勢。科技部長陳良基曾表示,台灣資源不多,將鎖定量子元件與物理、量子演算法、量子通訊與量子計算機等四大領域,在量子計算機方面,則要發展低溫矽基技術、量子位元電路設計、量子計算機次系統整合。預期量子計算機發展需至少10 年時間,台灣也必須把握這10年的機會。我國民間私人企業也紛紛投入,台積電、廣達也表示投入相關研究;同時有機會拉抬台灣的量子計算機商機,包括半導體、晶片、伺服器、散熱模組業者。

(二) 美國川普政府大幅增加AI和量子資訊科學研發預算

川普政府預計在2021年預算提案中,提議大幅增加美國政府在AI和量子資訊科學研發方面的開支。整體上,川普政府希望削減在基礎科研領域上的預算,而增加投入到“未來產業”所需的新技術,也就是川普預計向國會提出到2022年將AI研發經費的支出從9.73億美元增加一倍至近20億美元,並在兩年內將量子科技研發支出增加一倍至8.6億美元。

2018年川普原本簽署一項為期五年的量子資訊科學研發基金達12億美元,現在看起來白宮覺得這筆經費不夠大,因而決定採取擴大編列預算的方式加速發展量子資訊科學研發。未來美國的經濟力量和國家安全都將仰賴這些關鍵技術。

當然,白宮提出的這些研發預算,不包括國防部的一些研究項目在內,若含國防等部門,推估約近20.3億美金。簡單來說,川普政府提高研發經費是為了跟上中國的步伐(24億美元)。此外,預算提案中還將包括美國國家科學基金會(NSF)在AI相關撥款和跨學科研究機構的經費將增加70%,達到8.5億美元以上,以及NSF對量子資訊科學的資助也將大幅度增加。

(三) 以色列結合企業運作以彌補量子技術人才短缺

根據以色列政府資助的Israel’s national AI plan五年計劃中,列入量子科學是必須發展的技術應用。以色列政府宣布投資10至20億新謝克爾(約2.89億至5.8億美元)開發AI技術後,政府又批准了另一項國家創新計畫(NIS)投資—量子運算,預計五年內投資12.5億新謝克爾(約3.6億美元),但初始階段先提供經費僅為3億新謝克爾(約8,678萬美元),供做學術機構基礎研究,最終目標是制定全國計劃發展量子技術,以促進以色列本土生態系統所有領域發展。

國家量子計畫將迎接下世代的運算革命。該計畫並非要開發量子計算機,因開發量子計算機所需投資額恐高達數十億美元,因此,以色列計畫將投資重點放在量子科學和基於該技術的創新技術應用。

該計畫委員會認為基於國家競爭力,以色列應該積極投入量子科學的研究與應用,並建議:

  • 增進和集中主力於人力資本(招募學術人員、製訂學術研究計劃、建立研究實驗室、吸引海外研究人員以及提供獎學金)
  • 採購用於量子實驗室的雲端計算時間,也就是使量子維持在某個量子態時間(相干時間, coherence time)
  • 在大學及應用技術研究中心開發國家量子運算硬體基礎架構。
  • 擴大量子通訊的系統開發和研究,並加快工業和國防領域之重要量子感測器計畫的發展;
  • 鼓勵新興產業加入感測器、通訊、材料和雲端運算領域;
  • 支持量子零組件基礎設施的建立,以供產業使用;
  • 在學術機構中建立硬體基礎架構,供不同學科和研究小組共享;
  • 投資並結盟國際合作的力度。

2018年中旬,以色列已建立兩個主要機構,利用既有優勢使其成為量子科學領域的技術領先國家。第一個機構是國家研發基礎設施論壇(TELEM)隸屬於以色列科學及人文學院。TELEM已任命由前首席科學家Orna Berry率領的特別委員會與以色列創新局(Israel Innovation Authority)來主導量子科學計畫,還有負責審查研究提案來自科技部、財政部、高等教育理事會計畫及預算委員會以及國防部武器發展及技術基礎建設管理局(MAFAT)。第二個機構是促進AI發展委員會底下的專門小組,由少將Isaac Ben-Israel教授以及Berry領導負責技術基礎架構。

同時,採聯合研究以弭補量子人才短缺。2019年9月初,建立了第一個聯合企業,旨在鼓勵量子領域的合作;這些努力將促進量子知識基礎設施的發展,並將引導大學及研究機構共同開發創新技術。以色列未來正朝向量子技術發展,而且隨著新聯合企業的運作,將彌補量子技術人才及通用知識的嚴重短缺的問題。

(一) 日本「量子技術創新戰略」方案

日本政府在2019年專家會議將「量子技術創新戰略」方案與AI和生物並列的國家戰略技術,將攜手産官學(即企業、政府和大學)全面推進量子技術的開發,並將2020年訂為日本「量子技術元年」。日本將大幅增加2020年度以後的相關預算,在5年時間裏設置5處以上核心研發基地。通過改善投資環境等,力爭在10年內打造10家以上新創企業。量子技術的應用有望在10~20年裏以各種形式取得進展,日本期望藉由國家戰略來提升競爭力。量子電腦成功關鍵之一是培育潛力人才,今後需要培養具備相關技能的人才。

三、量子運算創新投資偏向軟體、造成過熱或不切實際?

近兩年來,創投似乎將過多資金投入量子運算領域,因而引發量子運算的寒冬將至之聯想。尤其,是在Google最近宣布已實現量子霸權之後,從《自然》雜誌的一篇文章分析顯示,量子炒作正在轉化為對該技術的大規模投資,但它可能是一把雙刃劍。這的確是一個特別令人擔憂的信號,因大筆創投資金投入了量子軟體公司,而量子運算還包括硬體及材料,若在硬體尚不清楚及材料不完善之前,量子軟體公司就先為尚不存在的硬體設備進行軟體設計算法和程序,這似乎為時過早。

根據《自然》期刊一項分析,到今年(2019)年初,私募基金自2012年以來已在全球資助了至少52家量子技術公司,其中許多是從大學衍生出來的。《自然》分析認為,在2017年和2018年,這些新創公司從私募基金獲得了至少$4.5億美元,超過過去兩年的1.04億美元。

圖2 創投基金投資量子技術領域之分布
資料來源:Nature, 2019*.

從量子技術領域來看,區分:套件/工具及服務、量子通信、量子運算、量子軟體、量子感測/材料等5大部分,2016年投資在電子通信為主,2017年轉向量子運算、量子軟體,2018年則大筆資金投向量子軟體最多,量子通信及量子運算次之,且開始關注量子所需感測/材料。

(一)量子運算新創公司紛紛成立

目前,量子領域的新創公司,IonQ量子運算新創公司,位於美國馬利蘭州大學College Park的量子運算硬軟體兼備公司,正開發一種通用的捕獲離子量子運算機和軟體來生成量子電路,並優化和執行量子運算。除IonQ外,還有成立20年的D-Wave,他是量子運算領域的先驅者,現已開發出兩套量子運算系統售予美國軍方和NASA等重量級客戶,用以解決特殊、複雜的計算問題。亦有許多新創公司投入量子運算的軟體應用層面,例如1Qbit、Rigetti及QxBranch。QxBranch近期被Rigetti收購。還有,Aliro在今年(2019)10月剛完成種子輪募資,三星也參與其中,目標是開發雲端量子運算服務的新創公司。

(二)科技大廠更積極跨入研發量子運算技術

除了量子科技新創企業外,科技大廠更是積極投入量子科技的領域。

依照量子運算演進進程來看,現在的量子科技已經發展到了所謂的「系統期」,也就是理論與實踐趨向完備、即將朝商業化推進的階段。研發量子運算的科技龍頭如IBM、Intel和Google等早在量子運算的實驗期或更早便已開始了量子運算的實驗與探索,如今皆已打造出量子運算機的雛型:

  • Intel的Tangle Lake
  • IBM推出53 qubits量子運算機於雲端供研究人員和公司使用。
  • Google推出53 qubits量子運算機Sycamore。
  • 微軟則是開發出了量子運算機的程式語言Q#和量子運算的開發工具等,預先建立將來量子運算商業化後所需的軟體開發介面。
  • 中國的阿里巴巴集團則開發出了阿里雲量子技術服務,供研究人員以雲端計算的方式使用阿里巴巴的11 qubits量子運算機。

五、結語

最近,從IBM及谷歌陸續發表的量子技術研發成果來看,量子運算的硬體設備已經達成了「量子霸權」(quantum supremacy)。另一方面如微軟和許多新創企業也致力於量子運算的(軟體)應用層開發。同時,市場上也出現了如三星電子等大型企業開始投資量子運算。從現階段來看,量子運算仍處於早期發展階段,若要達到商業化目標,根據谷歌的看法還要10年的努力。

由於量子運算是未來翻轉產業的一部分,因此科技大國無不致力於推動量子資訊研究,進一步帶動國家科技產業的發展。就如同其他新興科技的發展一樣,未來哪一家公司能夠先開發出具有商業應用價值的量子計算機,可能具有能力者僅有一或兩家公司,卻能從無數大數據的運算中獲得豐厚的利潤,以破壞式創新進而翻轉整體產業發展。

本篇文章摘取自科技產業資訊室(iKnow)網站四篇文章:

  • May (2019/12/17),量子運算是下一個革命性科技或產品、未來10年商業化。科技產業資訊室(iKnow),參考網站: http://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=16244
  • 張小玫、何思穎(2020/1/2),以色列政府加入投資國家級量子技術發展行列。科技產業資訊室 (iKnow),參考網站: http://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=16280
  • 張小玫(2019/11/5),量子運算投資偏向軟體、造成過熱或不切實際?科技產業資訊室 (iKnow),參考網站: https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=16133
  • May (2020/2/10),美國政府提高AI與量子科技研發預算翻倍。科技產業資訊室 (iKnow),參考網站: http://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=16364
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