文／陳蔚然｜國研院科政中心

2016 年 5 月歐盟委員會發表了量子宣言¹ ，號召歐洲國家共同發起一項預算高達十億歐元的量子技術旗艦計畫。目前已獲得許多歐洲產業、研究機構以及科學家們的支持，此旗艦計畫預計於 2018 年啟動。在宣言中表明了第二次量子革命正在世界各地展開，各國皆期望藉此行動在科學、工業和社會等方面能取得革命性的進步，這項計畫的目的在使歐洲於這場技術革命中能夠保持領先地位。

2016 年 8 月 16 日中國發射了世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」² ，主要目的是要進行太空與地面之間量子密鑰分發的實驗，且將在此基礎上實驗廣域量子密鑰網路，並為空間量子通訊實用化作準備。中國發射此衛星除了具有科學意義和實用價值外，還期望能在量子太空國際競賽中掌握主動權，並在第二次量子革命中取得主導地位。

從近年來的趨勢可以看出，以第二次量子革命為名的技術革命正逐漸在世界各地展開^1,3。國際競爭正不斷加劇，世界各國紛紛提出相關的量子技術發展計畫，加大基礎研究和產業發展方面的投入。本文將探究此第二次量子革命的來龍去脈與發展趨勢及台灣可能採行以設定重點發展目標、發展大型專案、培育相關人才及輔助產業發展等的因應方法。

第一與二次量子革命分別從何開始？

從科學的演進來看，第一次量子革命發生的時間可以追溯到 1900 年普朗克（M. Plank）為解決黑體輻射的問題時開始。歷經二十多年的發展後，在 1925 年海森堡（Werner Heisenberg）發表了矩陣力學，隔年薛丁格（Erwin Schrödinger）發表了波動力學，同年波恩（Max Born）又提出了波函數的機率振幅概念，此概念顛覆了傳統世界的實在觀，1927 年海森堡又發表了量子力學中的測不準原理（uncertainty principle）。

至此，量子力學的基本原理已經建立。隨著量子力學擴散至其他科學與技術領域，促使電晶體、積體電路與雷射等的發明，也導致半導體及光電產業的蓬勃發展。可以說第一次量子革命揭示了量子力學的基本原理，改變了人們對於物質世界的觀點。

第二次量子革命的濫觴則可說始於 1980 年代的科學家將資訊理論與量子力學原理結合的構想。1980 年美國阿岡國家實驗室（Argonne National Laboratory）的貝尼奧夫（Paul Benioff）提出杜林機（Turing Machine）可以用量子力學的方式來操作的原理⁴。這是第一次提出將量子力學與電腦科學結合的想法。1982 年美國著名物理學家費曼（Richard Feynman）認為杜林機並不完備無法完整地模擬量子力學，並進而提出可逆計算的量子電腦模型⁵。1985 年英國牛津大學的杜奇（David Deutsch）提出量子邱奇-杜林機的量子電腦模型，並指出任何物理過程原則上都能極佳地以量子電腦來模擬⁶。但是因為量子態的測不準特性和量子系統容易受環境雜訊干擾，量子電腦在實現上有極大的困難，所以當時並未引起許多注意。

直到 1994 年 AT & T 貝爾實驗室的蕭爾（Peter Shor）^7,8發展並證明出第一套量子演算法：量子因式分解演算法。這一演算法證明運用量子電腦能有效地進行大數的因式分解，這原本在傳統的資訊領域中是被視為無法有效計算的 NP 問題。1996 年葛洛弗（Lov Grover）^9,10提出可以在巨量而雜亂的資料中快速搜尋資料的量子搜尋演算法。自此在物理學界逐漸掀起了研究量子資訊的熱潮，世界各國的大學和研究機構都紛紛投入到量子計算的研究中，並運用諸如核磁共振、離子阱及超導約瑟夫森結等各式物理系統來進行量子計算的基礎研究^11-13。

再從產業革命發展的角度來看，以往促使產業進步的科學技術皆是以古典物理學為主的，即使在 20 世紀資訊產業革命時期亦然。雖然第一次量子革命使人們理解了量子力學的原理，促成半導體產業技術的進步，但整個產業的技術基礎還是根據古典物理的原理，並未大量運用到純粹的量子特性。近年來隨著半導體產業在晶片微影製程中元件尺寸的不斷縮小，量子效應將成為必需面對的難題，使業界遵循了 50 年的摩爾定律即將面臨更大的挑戰。為了產業未來的持續發展，也為了追求更高速的運算能力，因此促使各國紛紛投入量子技術的發展。

量子資訊領域帶來的革命性影響力

第二次量子革命指的不是科學理論上的量子革命，而是在產業上運用量子技術的創新發展。因此著重的是如何在傳統的工具或技術中運用量子力學原理以增進其效能，甚或是開發全新的工具與技術。圖 1 表示的是量子技術的各個項目，在各別的項目中困難度最高，但最具有革命影響力的就是量子資訊領域。

量子資訊科學包含了量子計算，以及量子通訊兩方面。

量子計算是以量子力學的疊加態原理及非局域糾纏態為基礎，研究資訊處理的科學。應用量子特性來處理資訊的好處是可以增大資訊容量、提高運算速度及確保資訊安全。在實現量子運算上，我們首先需要選定物理系統，繼而設計實驗步驟，以期完成計算任務。

量子電腦的概念源於費曼提出的可逆電腦，運用量子位元的相干疊加態來進行平行運算。因為量子位元極易與環境雜訊作用而去相干，故實現上有其困難點。可能實現量子電腦的物理系統有許多，例如離子阱¹⁴、共振腔量子電動力學¹⁵、超導約瑟夫森結¹⁶、核磁共振¹⁷、冷原子¹⁸、量子點¹⁹等。雖然近年來這些技術都各自取得了重大進展，至於那一個方案能在未來實現真正的量子電腦都還有待進一步的研究。

量子模擬是指利用量子電腦來模擬自然界裏的各種量子系統，也就是量子模擬器。因此量子模擬器可以視為量子電腦的類比物，相對於通用型的量子電腦而言，它的優勢在於不需要完全控制每一個量子位元，因此更容易實現。量子模擬運用在了解複雜的化學反應、研發新藥及新穎材料上將有很大的助益。

量子演算法是能在量子電腦上運行的演算法，它利用了量子相干性或其他量子特性來提高計算速度。蕭爾演算法和葛洛弗演算法是目前最具廣泛影響力的兩種量子演算法。現階段量子演算法的研究主要就是圍繞前述兩種核心量子演算法來展開。

量子通訊分為兩種形式。一種是應用純量子原理的量子通訊，例如量子隱形傳輸。另一種是將量子原理與傳統通信、加密技術結合的方法，例如量子密碼學，這是融合了古典與量子的通訊方法。也是量子資訊領域中研究最久最成熟的子領域。美國、英國、瑞士、瑞典、日本及中國都分別實現了在地面的量子密碼傳輸。如今中國藉著量子衛星的發射，將量子密碼傳輸從地面擴展到了太空。

在量子感測器與量子元件方面，因為量子疊加態及量子糾纏態對於環境變化非常敏感，所以可以用來製造非常精確而靈敏的感測器，例如可應用於地質調查及國防太空領域的重力感應器，精確計時用的量子鐘，醫學用途的磁力感應器等。而且相對於量子電腦而言，這類感測器及元件的研發可在較短時間內完成。

量子控制方面，因為在古典原理下運作的控制系統已被指出並不適合於量子系統的運作²⁰，因此發展一個通用的量子控制理論也是對未來實現各項量子技術的重要工作。

各國對量子技術發展有哪些投入?

美國

於 2000 年即把量子電腦的發展列為國家科技戰略目標之一。2009 年白宮國家科技委員會提出聯邦量子資訊科學展望白皮書²¹。2016 年白宮科技政策辦公室又提出了“美國先進量子資訊科學：國家的挑戰與機會”報告書²²，再次強調發展量子資訊科學的重要性。美國對於量子資訊科學與技術的研究補助廣泛的分布於各研究單位與相關研究計畫中，如美國國防部高等研究計畫署 DARPA、國家科學基金會 NSF 、情報高級研究計畫局 IARPA、國家安全局 NSA、國家太空總署 NASA、能源部科學辦公室 DoE SC 和國家標準與技術研究院 NIST 等，都資助了相當多關於量子技術研發的計畫。此外各大學，如 MIT、CIT、史丹佛大學、加州柏克萊大學等，及民間企業，如 HP、IBM、Microsoft、Google、Intel 等，也都紛紛成立量子資訊研究單位積極投入相關研發。

加拿大

從 1994 年開始自然科學與工程研究理事會 NSERC 即資助量子計算的基礎研究，至今已累積投入超過 2500 萬加元。滑鐵爐大學於 2002 年成立了量子計算研究所（IQC），該研究所同時在加拿大政府與民間企業資助下不斷擴大規模，為加拿大指標性的量子相關技術研究機構。除了相關的量子技術方面的研究外，更以建造通用型量子電腦為主要目標。

歐洲

歐洲地區己有超過 20 個國家投入量子資訊的研究，並分別提出了相關的大型計畫，例如奧地利的因斯布魯克大學、義大利的羅馬大學及瑞士的日內瓦大學等，在瞬間傳輸及長距離的通訊安全方面都已有相當重要的成就。歐盟在「展望 2020」未來新興技術主軸計畫中即包含了量子模擬技術研究。歐盟執行委員會於 2015年舉辦了一場量子技術與工業研討會²³，更於 2016 年發布了量子宣言¹，預計在 2018 年啟動量子技術旗艦計畫，目的在維持歐洲在量子研究方面的領導地位，吸引發展量子技術的企業與投資，發展量子技術以對世界性問題提供更好的解決辦法。並規劃了一連串的行動以及技術地圖的擬定。

英國

英國在量子技術研究方面亦處於全球領先地位，英國政府成立了量子技術戰略顧問委員會擬定了國家量子技術戰略，於 2013 年投入 2.7 億英鎊成立英國國家量子技術計畫，幫助量子行業在英國紮根²⁴。又於2015年提出英國國家量子科技策略^25,26並承諾將投入 1,500 萬英鎊於量子技術人力資源培育，預備為未來的勞動力提供高級技能，以實現量子技術能為英國帶來利益。

日本

2000 年日本科學技術振興機構（JST） 在《先進技術探索研究計畫》中，設定了為期5年的量子計算與資訊研究項目。2001 年日本制定了第二次科學技術基本計畫，將量子計算與資訊列為補助重點之一。投入大量研究經費並設立相關研究單位。2009 年日本學術振興會（JSPS）設立《世界一流科學技術創新研究資助計畫》（FIRST）也重點資助了量子資訊的研究發展。2011 年日本在學術審議會的尖端研究基礎委員會下設立了「光・量子束研發作業委員會」。研擬光科學與量子技術從現在到未來的策略方針²⁷，以期將新技術促進產業發展，增強國際競爭力。

新加坡

新加坡國立大學由政府資助於 2007 年斥資 1 億 5000 萬新元成立當時世界最大的量子計算實驗室 Quantum Computing Lab. 此為東南亞第一個量子資訊科學研究所，並以成為此領域的領導者為目標積極發展相關研究。

中國

已將量子資訊列為國家自然科學基金優先資助領域，並成立多個量子資訊與計算研究機構，如中國科學院的量子信息重點實驗室，中國科技大學量子通信與量子計算實驗室，教育部量子資訊與量測重點研究室，原子分子與奈米科學中心的量子資訊研究，北京清華聯合成立量子信息與測量重點實驗室等。2016 年中國國務院發布《國家創新驅動發展戰略綱要》點出十大產業技術體系創新，其中在發展引領產業變革的顛覆性技術方面，提出大陸應要積極開發量子資訊等技術。在量子通訊發展方面，大陸於 2016 年 8 月發射世界首顆量子通訊實驗衛星，並計畫在 2030 年建成全球化的量子通信網路²⁸。

近年世界各國投入量子技術研究的資源，如表 1 。歐盟在發表量子宣言之前即已投入了最多的人力與資金，緊追在後的是美國與中國，美國投入較多資金而中國則投入較多的人力。

國際產業對量子電腦的研究

Google

Google 自 2009 年起就一直在探索量子電腦。在 2013 年從加拿大新創公司 D-Wave Systems 採購「全球首台商用的量子電腦」，此電腦雖配置了 128 個量子位元，但並非所有量子位元都互相連結。並與 NASA 艾姆斯研究中心合作展開研究。2013 年 Google 在量子計算上花費的研發費用大約是 80 億美元。次年， Google 繼續加大在量子計算上的研究，宣佈與美國加州大學聖塔芭芭拉分校專家共同開發量子計算，並裝備了最新一代量子電腦 D-Wave 2X，此電腦配置了 512 個量子位元，同樣運用了量子效應來進行運算，但此電腦仍未被學術界普遍認可其為真正的量子電腦。於 2015 年 3 月 Google 宣布阻礙量子計算機發展的關鍵問題中的一個解決方案已經被驗證可行，並發表於國際頂尖期刊 Nature29。在 2016 年再次公佈了新型量子電腦的開發計畫³⁰。

IBM

2015 年發表了在檢測量子運算錯誤上的議題有關鍵性的突破³¹。2016 年 5 月 4 日，IBM 正式推出了一個名為「IBM 量子體驗」（IBM Quantum Experience）的網上平台³²，將一台位於紐約 TJ Watson 研究中心、擁有 5 個量子位元（qubit）可編程的量子電腦向公眾開放。使用者可透過雲端技術，用個人電腦或智慧手機便能體驗用量子電腦操作和運算，目的在集合眾人的智慧以促進量子運算的發展。

Intel

英特爾公司於 2015 年 9 月宣布將投資荷蘭 QuTech 研究機構 5,000 萬美元，共同開發量子電腦³³。QuTech 是由 TU Delft 科技大學與荷蘭工研院 TNO 於 2013 年共同成立的研究機構，專精研發量子技術的發展。Intel 與 QuTech 合作的重點聚焦於量子計算容錯技術，TNO 的工程師將專注於量子運算的架構，並以倍增可用於量子計算的量子位元數量為目標。

量子相關的研究論文與專利趨勢

學術論文的發表數量分析可以反映出各研究領域的研發趨勢。本文以湯森路透公司的 Web of Science 論文資料庫為資料源。對 1991 年至 2015 年依量子技術相關領域研究的關鍵字調查各領域研究論文在歷年發表數量的變化趨勢。

圖 2 是以“Quantum Information”，“Quantum Computation”，及“Quantum Communication”為關鍵字搜尋從 1991 年至 2015 年於 Web of Science 上收錄的發表論文數。可以看出從 2000 年開始論文數量逐漸攀升，與各國開始投入研發的時間相符合。

圖 3 是以“Quantum Computer”，“Quantum Simulation”，“Quantum Algorithm”，“Quantum Teleportation”與“Quantum Crytography”為關鍵字所搜尋出 1991-2015 年間的 SCI 論文發表數量，其中量子電腦在 1998 年起開始有一波增長到 2002 年趨於平緩，而量子模擬在 2010 年前都較為沈寂，之後則開始增加。這可能是在研究初期有較多人投入較前沿且挑戰性高的量子電腦研究，因其實現難度高，而導致轉向相對容易實現的類量子電腦的量子模擬器研究。量子演算法是實現量子計算的關鍵核心之一，但自1994年蕭爾的量子因數分解演算法及 1996 年葛洛弗的資料搜尋演算法之後還未有更突破性的進展，這也可以從圖中論文發表數量的持平表現得出。至於量子傳輸的研究基本上也隨著相關領域的發展逐漸遞增。

圖 4 是以“Quantum control”，“Quantum metrology”，“Quantum device”及“Quantum component”為關鍵字所搜尋出在 1991-2015 年間發表的 SCI 論文數量，其中有關量子控制方面，因為在基礎科學領域很早便開始研究對於微觀系統的操控，所以論文發表開始增加的時間點較早，數量也較多，同時可以看出此一領域的研究成果仍在穩定增加中。運用量子特性所發展的量測技術從 2008 年起開始有較多的研究成果發表，且增加的速度相當快速。有趣的是這個發展的時間點似乎與智慧型手機發展的時間點重合。至於與量子元件或量子設備相關的研究可能其關鍵字會依各元件或設備的功用不同而有其特定的關鍵字，所以圖中數據可能較無法反映出真實的研發成果數量。

1991-2015 年各國在量子資訊領域發表 SCI 論文總數的前 20 名國家，如圖 5。數量最多的是美國有 2422 篇，中國大陸緊追其後有 2147 篇。領先第三名的德國一倍以上。自第四名的英國以下論文數量都在一千篇以下。

圖 6 為台灣近年發表在量子資訊領域的 SCI 論文數量，台灣發表論文總數為 69 篇，發表數量全球排名在第 28 位，佔總數的 0.73%。從歷年論文數量發展趨勢來看，有增加的趨勢，但每年實際發表論文數量差距頗大，應是因為投入研究的人數較少所致。

相關專利方面統計至 2016 年 10 月於 Quantum information 領域，在美國已核准的專利數量，見圖 7。專利核准總數有 715 件，可以看出歷年核准件數自 2003 年起有逐年升高的趨勢。圖中歷年專利申請件數是對應到已核准專利之申請年，並不代表當年申請專利的總數，因為部份專利還在審查中，所以圖中近幾年呈現的下降趨勢並不代表實際申請專利件數下降。圖中可以看出平均一件專利從申請到獲證大約要三年的時間。

從各國所獲得的美國專利數量排名來看，前十名的國家，如表 2 。美國以 494 件專利遙遙領先其他國家。專利權人數為 157 人，平均一位專利權人擁有 3 件專利，總發明人數有 769 人。位居第二名的是日本，有 96 件，平均一位專利權人擁有近 4 件專利。第三名是加拿大，有 19 件。第四名是英國，有 17 件。這兩個國家都是平均一位所有權人擁有一件專利。第五名是開曼群島，一位專利權人（格羅方德半導體股份有限公司）即擁有十件專利。第六名以後的國家專利件數都少於十件。

台灣對量子資訊及相關技術的研發狀況

國科會工程處（現科技部工程司）於 2003 年即啟動了「量子資訊科學」先導性研究計畫，曾引起諸多資訊專家學者回應，而投入相關研究。在科技政策發展規劃方面，民國 94 年至 97 年（2005-2008）的國家科學技術發展計畫³⁴中將量子資訊科學列為優先發展項目之一。此外，工程處的資訊工程與智慧計算學門於 2007 年及 2010 年的學門研究領域規劃書中亦有量子計算領域的研究規劃³⁵，其中包含了量子計算理論、量子電路、量子演算法、量子密碼及量子資訊學等五大領域。但此領域因歷年申請相關研究計畫的數量逐漸減少，以至於 2014 年的研究領域規劃書中已刪除量子計算領域的規劃。目前僅有科技部自然司中的物理學門中仍持續有量子資訊領域的研究規劃。

國內大學中，成大於 2003 年成立量子資訊科學研究中心，以奈米國家型科技計畫結合物理、資訊工程、材料，以奈米元件為啟始點進行量子資訊的相關研究。同時國內相關學者專家亦成立促進量子產業發展的台灣量子科技學會，期望採團隊合作的方式來進行研究。但目前相關的研發能量及活動並不積極，可能因為量子資訊方面的研究需要用到許多數學與物理工具，此跨領域的研究對於資訊工程背景的學者是一大挑戰。台大則設立了量子科學與工程研究中心，此為台大校級跨領域研究中心，中心成員多數以物理系教授為主，工程領域成員相對較少。

再以 GRB 政府研究資訊系統盤點國內相關的研究計畫數量，見表 3 ，其中計畫數量最多的是與量子資訊領域相關的計畫，前十大計畫主持人都屬於物理系的教授，而其他領域的計畫前十大計畫主持人亦將近半數都是物理系的教授。

從國內目前學界的研究狀況來看，正當世界各科技先進國家積極推動量子技術的工程應用發展時，國內相關的研究似乎仍侷限在基礎研究的領域。

全球量子競賽開跑，台灣如何布局？

世界各國都已經積極的投入量子技術的研究，除了美、英、法、德、日等傳統科技大國外，與台灣環境相近的荷蘭，甚至小至城市國家新加坡都投入了相當的研究資源，在在顯示全球的量子競賽已經展開。量子原理的運用已不再拘限於學術界，以量子技術中的要角量子資訊來說雖然相關研究過去多以學術研究為主，但近年國際資訊大廠亦積極投入並展開專利布局。就在不久前，量子電腦還普遍被視為是未來的技術，但 Google 已提出，量子電腦將是在幾年後就會實現的技術。就是因為量子技術的重要性與其可能對社會及產業帶來的巨大衝擊，所以無人敢忽視其未來的發展潛力，這也是促使各國政府甚至民間資訊大廠近來大量投入量子資訊及相關量子技術研發的主要原因。值此關鍵時刻，台灣也應深思開始在此領域積極規劃與布局。

歐盟的量子宣言提出的是一個旗艦級的長期計畫，預期聯合歐洲各國在教育、科學、工程與創新的產業發展，實可作為台灣相關科技發展規劃的借鏡。圖 8 顯示了此一計畫的各個要素之間的關係。量子技術的發展是建構在教育和科學的堅實基礎之上，在工程部份建立能以新技術來設計、建造和使用的能力，再以設定重點目標的專案型計畫來驅動基礎研究轉化為能吸引企業投入的創新技術，並輔助小型具潛力的量子科技公司發展。也就是說這是從概念、理論和將實驗室結果向可應用產品發展的完整規劃。

歐盟量子宣言規劃的量子技術發展地圖中，每一個量子技術領域都規劃了各自發展的時間軸，以量子計算為例，其商業效益可能在 10 年甚至 20 年後才會顯現，但像是量子感測器則有望在不久的將來即出現在市場中，此規劃使相關量子產業的發展有完整的短、中、長期的完整布局。國內部份專家認為現在即應該進行宏觀性的技術與專利布局。建議召開國內專家會議討論如何在有限的科研資源下規劃適合台灣量子技術發展的方向與應著重的技術節點。

綜觀台灣過去在量子資訊領域方面發展所出現的阻滯現象，應該與量子技術發展是極度需要跨領域結合的特性有關。因為可能多數資訊領域的專家學者並不熟悉基礎量子力學原理，在相關研究上便容易遭遇難以克服的因難。也就是說在科學與工程之間存在了需要銜接起來的鴻溝，這種情況在許多科學領域亦屢見不鮮，例如自旋電子學，在應用於資訊處理的發展上國內還停留在物理的研究，而科技先進國家已進入電子工程領域的研發階段。因此有關台灣在量子技術方面的研究發展方式，或可考慮以大型專案計畫，以專家討論結果設定適合台灣發展的重點目標，例如先從較易實現的量子感測器開始，結合自然科學領域（數學、物理）及工程領域（電子、電機及資訊工程）的學者並與法人研究機構共同進行量子技術的跨領域研究，並可與先進國家進行國際合作，同時建立所需的核心設施，以發展量子技術生態系統，讓科學家、工程師及相關產業匯聚在共同的技術發展路線上。

從目前趨勢來看，預估未來量子工程將會成為顯學，懂得量子技術的專業人員會成為未來發展量子產業的重要關鍵。台灣除應積極規劃發展應用廣泛的各種量子技術，同時應注重相關人才培養。可將量子原理與應用的學習推廣至工程領域的各學門中，並為工程師、量子技術人員和應用研發人員提供教育專案，以滿足未來量子產業中極需要的量子技術相關人才。此外，在如何加速將國內量子科學基礎研究成果擴展至量子工程與技術應用上，可建立如量子創新基金，為各類將量子技術轉變為產品的公司提供資金支援，銜接上游學研與下游產業，推進國際合作，加強人才網路和資訊交流，提升台灣科技產業創新動能，以創造新的量子產業，迎向未來科技發展。

（本文授權改寫自：國研院科政中心 科技政策觀點網站：第二次量子革命啟動）

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