對於量子科技的研究,各國政府或民間企業屢有突破,為因應未來全球科技變革,臺灣在一年半前,提出跨部會成立量子國家隊的概念,當時行政院即宣布,要在2022年到2026年間投入80億元,推動我國在此領域的技術與人才能量,如今終於正式展開。

在3月16日的聯合記者會上,行政院科技會報辦公室、中央研究院、經濟部與科技部宣布,正式選出17個量子國家研發團隊為主要方向,作為我國量子科技發展基石,期盼未來我國能在全球量子科技產業中佔有重要角色,建立臺灣量子科技產業鏈。

建立跨部會產學研團隊,完成核心關鍵技術盤點

過去十多年來,中研院已投入量子科技的發展,在物理、原子與分子科學、資訊、應用科學,以及資訊科學創新研究面,都有1到2位專家持續進行量子科技的相關研究。

就近年政府鼓勵的部分而言,科技部在2018年推動「量子電腦專案計畫」,補助多個學界團隊,包括清大成立前瞻量子科技研究中心,以及臺大成立IBM-NTU量子電腦中心等,到了2020年,又再提出更通盤的量子運算國家戰略──「量子科技專案計畫」,目標成立跨部會的量子國家隊,以整合關鍵技術的研發能力。

歷經兩年,此戰略正式成形,我國已盤點出必需發展的關鍵核心技術,審核選出17個產學研團隊,成為未來5年的量子科技發展方向。

如何透過有限資源跟上全球腳步,聚焦、合作與整合是關鍵

關於臺灣量子國家隊的成立,幕後重要關鍵推手,主要是行政院科技會報辦公室副召集人暨科技部部長吳政忠,以及中央研究院院長廖俊智。

吳政忠指出,這次的戰略,已跳脫由單一部會或僅由學界進行上游研發的模式。過去由上而下循序推進的模式,發展速度太慢,將浪費臺灣最重要的優勢,畢竟國內半導體產業在全球極具競爭力,因此,現在是要跨域、跨校、跨單位與結合產業來進行,打造橫跨上游到下游的完整研發模式。未來,包括金管會、國發會也應陸續參與這項戰略。

對於全球量子科技發展的趨勢,中央研究院院長廖俊智表示,自2019年開始,量子科技在全世界如風起雲湧般,受到比以往更大的關注,尤其是開始實現利用量子疊加、量子糾纏的特性來運算,而全球在量子科技的投入,目前已高達6,800億元,這筆天文數字還是未計入民間企業投資預算的狀況。

面對未來可能的產業變化,儘管量子科技門檻非常高,需要相當深入的研發,臺灣仍必須在早期就跟上發展。廖俊智強調,雖然臺灣政府所投資的金額難以與全球相比,如何利用有限的資源與全球量子列強競爭,選定方向就是關鍵,透過聚焦、合作與整合的方式,讓這次定案的17個計畫都有希望達成的目標。

我國量子系統推動小組召集人果尚志表示,臺灣的目標是要鎖定「量子電腦硬體」與「光量子」、「量子電腦軟體」的核心技術,以及周邊關鍵組件,建構實際功能的量子系統,並培養量子人才及開發產業應用,同時透過產學研的合作,期盼運用臺灣現有的優勢,讓我國在未來量子世代的產業鏈中,也能居於關鍵地位。(攝影/羅正漢)

從17項關鍵任務著手,學研單位與產業通力合作

在現階段的具體運作上,行政院科技會報辦公室設立量子系統推動小組,由清華大學教授果尚志擔任召集人,陽明交通大學教授張文豪擔任執行長,以及中研院研究員王明杰擔任系統總工程師。

關於我國量子系統推動小組,其終極目標在於,培養臺灣未來量子世代的產業鏈。

果尚志指出,這次選出17個量子國家研發團隊,目標相當明確,並不是要做到全球科研頂尖、與IBM、Google與微軟等業者,比拚量子位元最多的電腦,最重要的關鍵,是具備建立量子科技的核心技術能力,以在未來形成產業鏈時,臺灣能居於關鍵地位,就像現在國內半導體產業在全球的重要性一般,並要培育量子人才及開發未來量子世代創新產業應用。

因此,掌握關鍵核心技術就是最重要的任務,換言之,就是要建構臺灣自製量子電腦,以及建置臺灣自製量子通訊網路系統。

到底國內需要從那些關鍵面向去著手?張文豪指出,整個量子國家隊的架構,可分為三大面向。

第一個面向,是成立關鍵技術研發的產學研團隊,聚焦3大領域17項計畫。

當中有那些是我們要發展的關鍵技術?以「通用量子電腦硬體技術」而言,包含7項計畫,包含建構量子電腦、超導參數放大器、量子電路、量子計算、低溫CMOS元件,以及中性原子的領域。

「光量子技術」上,有4項計畫,包含量子通訊網路、光量子晶片、光電晶片量子計算、QKD關鍵零組件與系統整合研究等領域。

「量子軟體技術與應用開發」方面,有6項計畫,包含量子電腦理論、量子虛擬機、量子程式驗證及轉換、金融應用、量子噪聲演算法、與初期量子揪錯設計等領域。

而上述17項計畫共有72位跨領域專家擔任計畫主持人,其成員來自中央研究院、國研院半導體中心,以及國內10多所大學的團隊,涵蓋物理、天文、電子、電機、光電工程等多個領域,並有二十多家公司共同參與,包括鴻海科技、臺灣新思科技、聯發科技、日月光,以及稜研科技、圓陵工業、易儀科技、量源光電、龍彩科技等多個領域的企業。

第二個面向,是建立沙崙量子研究基地,該基地設於中研院南部院區,在3月15日已啟動上樑儀式,預計年底前完工,屆時將成立量子實驗大樓暨核心設施,讓17個團隊都能應用最先進的昂貴設備,而不像過去學術團隊研究時,處於資源不足且分散的狀態。

第三個面向,是以經濟部工研院的團隊為主,將發展低溫控制電路製程與關鍵組件,例如,低溫微波控制電路、低溫記憶體技術的開發,提前布局量子電腦核心關鍵IP智慧財產。

 臺灣量子國家隊聚焦3領域17項團隊計畫

領域 通用量子電腦硬體技術 光量子技術 量子軟體技術與應用開發
團隊計畫 ●建構一臺可擴充的量子電腦
●超導參數放大器研發
●高同調性超導量子電路材料研究
●矽基量子點量子計算
●邁向高擴充性量子處理器的CMOS整合鍺量子關鍵技術
●低溫COMS元件的DC/RF SPICE模型
●以中性原子實現量子計算與模擬
●多功能量子通訊網路
●光量子晶片應用於積體化多通道量子隨機亂數產生器
●非高斯連續變量積體光電晶片量子計算
●分波多工光纖量子通訊網路中量子密鑰分發關鍵零組件及系統整合研發。
●量子計算機科學之理論發展
●量子虛擬機
●量子程式驗證及轉換
●量子計算在最佳化及金融之應用
●有效使用量子噪聲進行化學系統量子模擬的演算法研究
●用於近期量子計算科技之量子揪錯設計
學研單位團隊成員 ●中研院:天文及天文物理研究所、原子與分子科學研究所、資訊科學研究所 ●國研院:臺灣半導體研究中心、高速網路與計算中心 ●臺灣大學:光電工程學研究所、電信工程學研究所、物理學系、資訊工程學系、電機工程學系、生醫電子與資訊學研究所 ●清華大學:電子工程研究所、光電工程研究所、資訊工程學系 ●陽明交大:物理研究所、電子研究所、電子物理學系、電機工程學系 ●政治大學:應用物理研究所 ●中央大學:物理學系、電機工程學系、光電科學與工程學系 ●中興大學:物理學系 ●中山大學:光電工程學系 ●中正大學:物理學系 ●彰化師範:物理學系 ●淡江大學:物理學系 ●長庚大學:電子工程學系
產業參與 工研院光電所、國研院半導體研究中心、金融研訓總院、鴻海科技、臺灣新思科技、聯發科技、日月光、中華電信、閎康科技、致茂電子、聯亞光電、一元素科技、大江生醫、臺灣富士通、臺灣羅得史瓦茲、祥茂光電、稜研科技、圓陵工業、易儀科技、量源光電、南方科技、龍彩科技、極星光電、Optilab L.L.C.
 資料來源:量子科技推動小組,iThome整理,2022年3月  

 

低溫元件發展最受期待

至於我國量子科技發展的挑戰?張文豪表示,在現今的量子科技領域,國外居於領導地位,但他們不會告訴你技術怎麼做,因此很難超前部署,儘管眾所皆知量子科技很重要,但對於產業而言,可能不知道關鍵技術,也不知如何參與。因此,現階段必須要有臺灣團隊去研發,實際深入瞭解後,才會真正知道有那些技術瓶頸與關鍵,讓臺灣產業能及早體認在那些環節可扮演的角色,才有機會參與到未來的產業鏈。換言之,要讓產學研團隊不是瞎子摸象,而是實際走一圈,將能務實地找出可以發揮我們實力的強項。

至於未來量子電腦的普及形式,他指出,就目前的觀察而言,量子電腦可能與傳統電腦不同,不會走入每個人的家庭,最主要的原因,量子電腦需要很多低溫的技術,需在攝氏-269度C進行操作,因此,未來量子電腦會是雲端運算平臺的概念,如同現在建置超級電腦一般,而發展低溫相關元件的技術,如臺灣在CMOS影像感測元件的實力,也是這次會中多次強調的重點,未來這類低溫元件技術,甚至也能用於太空領域的發展。

量子科技不只是資訊工程,更關鍵是物理面的量子力學,還有製程面的相關技術,以及數學面的量子演算法,未來生醫、金融、化學模擬與大數據的應用面。現階段,量子國家隊的研發面向將聚焦於「量子元件」、「量子電腦」、「量子演算法」及「量子通訊」等技術項目或跨項目整合發展,而且,不只是開發量子電腦與量子通訊關鍵核心技術、建置量子運算與量子密碼研發平臺,還強調參數放大器與低溫電路的研發,以及後續經由產學合作而成的縮小化商業化零組件,並要培育未來軟硬體量子世代人才。

關於量子國家隊的產學研團隊,共有3大領域與17項計畫,並有多達72位專家擔任計畫主持人。以17項計畫的總主持人而言,包括:中央研究院物理研究所陳啟東、清華大學物理學系陳正中、清華大學物理學系林晏詳、臺灣大學物理學系管希聖、陽明交大電子研究所李佩雯、臺灣大學電子工程學研究所李峻霣、中央研究院員子與分子科學研究所陳應誠、清華大學物理學系褚志崧、清華大學光電工程研究所李明昌、中央大學光電科學與工程學系陳彥宏、臺灣大學光電工程學研究所李君浩、中央研究院資訊科學研究所鐘楷閔、清華大學物理學系陳柏中、臺灣大學電子工程學研究所江介宏、臺灣大學物理學系張慶瑞、臺灣大學化學系鄭原忠、陽明交大電機工程學系賴清沂。

我國發展量子科技關鍵技術的考量重點

量子國家隊自2020年宣布以來,到2022年正式成形,選出的17個產學研團隊,我們注意到,當初提案的團隊可能比入選者要多出1倍,在這段期間內,我國是如何盤點並考量將聚焦的方向呢?

對此,我們也詢問經濟部並請他們說明。他們表示,這次的「量子科技專案計畫」是目標導向型,與一般基礎研究計畫案性質相當不同,因此,在計畫之初,就針對量子科技硬體與軟體之核心技術瓶頸,公開徵求國內研究團隊,提出具突破性的解決方案。

而徵求提案的審查,有5大重點,包括:提案需切合本次計畫所要突破技術規格項目,需提出年度具體技術藍圖,同時重視題目的學術研究卓越與新穎性,團隊成員之互補性,以及檢視總計畫主持人與子計畫主持人能否具有跨領域、跨單位資源整合的能力。最後,才選出這17項計畫。


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