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產業追蹤/量子電腦 新興技術聚焦

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(Quantum Computer)技術布局與研發方向。(本報系資料庫)
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(Quantum Computer)技術布局與研發方向。(本報系資料庫)

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。

圖/經濟日報提供
圖/經濟日報提供

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(Quantum Computer)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。(作者是經濟部技術處ITIS智庫研究團隊研究成員)

量子電腦 半導體 演算法

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