跨異質思維去強化量子技術的發展
2022.08.26
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壹、新聞重點
2016年8月中共發射全球首顆量子衛星「墨子」號，成功使用「量子糾纏」（Quantum entanglement）技術來加密敏感資訊，負責此項目的中國科學院潘建偉院士說，量子通信「原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全」。[1] 2018年12月21日，美國總統川普簽署國會提交的《國家量子計劃法案》（National Quantum Initiative Act），加速該國量子科技的研發與應用，並提供立法保障。[2] 2019年10月23日，谷歌宣布成功研發量子電腦，用53個量子位元（Qubit），在200秒內實現目前超級電腦需花1萬年才能完成的運算量。[3] 2020年10月16日，中共「中央政治局」舉行集體學習，內容是「量子科技研究和應用前景」，習近平強調科技創新是當今世界變局中一個關鍵變數，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。[4] 中國科學技術大學於2020年12月4日宣布成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，其運算速度較美國谷歌的量子電腦快100億倍。[5]
回顧歷史，彷彿上個世紀人們還在為量子是粒子還是波動在爭吵，一位最初研究歷史，最後攻讀物理學博士路易•德布羅意（Louis de Broglie），提出光子具有波粒二相性（Wave–particle duality），透過普朗克常數（Planck constant），找出電子波長和動量之間的關係，並且於1929年獲得諾貝爾物理學獎。[6] 不到一百年的時間其應用的技術已經鋪天蓋地在各種領域中出現。
貳、安全意涵
一、正視中共積極投入研發量子的技術
依據我國科技政策研究與資訊中心2021年5月14日公布資料將全球主要16個國家把量子科技列為國家發展戰略計畫，總計共投入約246億美元的經費，而且還在不斷加碼當中，各國相關研發預算如圖1。由圖中可知，中共投入量子技術的研發經費是100億美元，而我國是2.8億美元，彼此之間的差距達36倍。
圖1、各國量子研發預算
資料來源：〈主要16國家量子科技政策 預算超過246億美元〉，《量子開放學院》，https://qt.ntu.edu.tw/qoa/ map1_01/。
另外如同第一段中共「中央政治局」學習的題目竟然是「量子科技研究和應用前景」這些橫跨政治、軍事、經濟的委員，負責擘畫中共的未來藍圖，都如此重視量子科技的發展，此次中共8月1日至8日軍演前後，共對台發布了272則爭議訊息，[7] 如果引進量子的技術，則將會產生更多元、更多量、更全面的假資訊。
基於上述莫不在強調中國大陸不僅投入全世界最高的經費在量子技術，同時決策者也在學習量子技術，以便擘畫未來的藍圖。
二、整合異質產業強化量子技術的發展
迄今，量子力學已經朝向各種領域去發展應用，例如：資安、金融、產業、運輸及國防等各層面。不容諱言，量子位元有不同的形態，例如：凝聚態（半導體、超導體、拓樸線）、核磁共振、光學與原子；[8] 例如：IBM與Google兩家將超導體做成超導環，通過磁場，使超導環同時產生順、逆時針的電流作為量子位元，結合自家的軟體演算法，供給世界上研究者使用。當然也存在發展瓶頸，由於量子位元的量子態很不穩定，易受到溫度、電場的干擾，造成量子去相干性（decoherence），影響量子運算的性能。[9]
因此世界各國將量子技術從小紮根，甚至出版社發行《寶寶的量子力學》中英語繪本系列，讓小朋友從小開始接觸量子力學的知識；或者IBM推出「Hello Quantum」量子力學解謎遊戲，藉由控制遊戲中的X、Z、H和CZ四種量子閘（quantum gate），以及ON、OFF和Random三種量子狀態，排列出指定的組合如圖2。是以各先進國家將量子力學的相關知識透過繪本與遊戲讓年輕的世代可以瞭解與應用。
圖2、Hello Quantum
資料來源：“Hello Quantum,” IBM, http://helloquantum.mybluemix.net/.
參、趨勢研判
一、量子運算將全面影響人類的生活
藉由量子運算的法則將會取代現有的機械學習，無論是倒傳遞類神經網路（backpropagation networks）、深度學習（deep learning）皆是藉由神經元將輸入的資料分批逐步地分析整理，然而量子運算卻可以同步去處理，其速度遠遠超過目前電腦運算。進一步包含材料製作的過程，例如賓士電動車，目前正在運用量子技術更精確的模擬電池內化學反應，以期可以開發出未來更有效率的電池；[10] 另外一個例子，如日本三菱化學、慶應義塾大學和IBM Quantum正在透過量子演算法與全新的硬體環境，試圖瞭解鋰氧電池放電過程中複雜化學反應的精確結果。[11] 所以量子電腦已經不單單是研究室的對象，似乎已經走出學術領域邁向人類的日常生活。
二、全面強化量子技術的發展
因此未來量子力學的發展應該不僅侷限於大學物理系或者電機系中研究，而是整合相關產業，例如：量子計算理論、量子編碼、量子計算機架構（微架構）、量子儲存與量子閘等技術，亦就是不僅有量子科技的專家，應該還包含材料、結構、熱流、電子、控制等軟硬體等領域的科技人員；[12] 甚至結合情報、心理與輿論等專長的學者去發展「認知戰」。所以我們也該思考在各種不同層面、不同年齡、不同領域的人應該加緊腳步，利用本國在半導體、電子製造、科技人才與政治人才方面的優勢，全面建構量子世界的未來。
三、應用量子技術於作戰模式
誠如前述量子技術的優勢在於其運算速度快，除了化學反應於能量規劃、藥物預測的發展，更可以在戰場迷霧中藉由陸、海、空、天的偵察匯集巨量資料，透過量子電腦得出結果提供決策者參考；甚至量子電腦可以提供高度擬真的作戰場景，提供決策者、執行者在不同兵棋想定上，協助部署武器、訓練戰技與戰法。
最後由於量子糾纏的特性，使得量子通訊不但傳輸速度比光速快，可且量子金鑰絕對安全。[13] 另外使用量子技術進行加密通信上，這表示也可以應用於潛艦水下通信與海底地形繪製。[14] 量子的技術才將要在各領域露出曙光，但對全人類的影響卻是無比深遠。
[1]〈「杜絕竊聽」 中國發射全球首顆量子科學衛星墨子號〉，《BBC NEWS中文》，2016年8月16日，https://www.bbc.com/zhongwen/trad/science/2016/08/160816_china_quantum_satellite。
[2]〈美國通過《國家量子計劃法案》，爭奪量子科技的戰略領先優勢〉，iFuun.com, http://www.ifuun.com/a2019022818454651/
[3]〈政治局學量子技術中共搶佔先機〉，《大紀元》，2021年02月16日，http://hk.epochtimes.com/news/2021-02-16/26568371。
[4]曹川川，〈習近平在中央政治局第二十四次集體學習時強調 深刻認識推進量子科技發展重大意義 加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局〉，《中國習觀》，2020年10月17日，http://xitheory.china.com.cn/2020-10/17/content_76827449.html。
[5]盧伯華，〈美中量子電腦大戰 九章號稱較谷歌快百億倍 專家積極審查〉，《中時新聞網》，2020年12月25日，https://www.chinatimes.com/realtimenews/20201225004842-260409?chdtv。
[6]〈路易．德布羅意傳記，原子理論，發現和事實〉，《大英百科全書》，https://www.britannica.com/biography/Louis-de-Broglie。
[7]吳東穎，〈中共軍演272則假訊息「認知作戰」 國防部：多為「擾亂軍民士氣」〉，《台視新聞網》， 2020年8月8日，https://news.ttv.com.tw/news/11108080003800W。
[8]張慶瑞，〈二次量子革命-量子電腦霸權已經降臨〉，《2019科普展望的演講》，2020年3月21日，https://binged.it/3cbOmBv。
[9]郭家宏，〈量子電腦遇到瓶頸？MIT 實驗發現，「宇宙射線」會影響量子運算的性能〉，《TechOrange》，2020年9月4日，https://buzzorange.com/techorange/2020/09/04/cosmic-ray-and-quantum-computing/。
[10]“Introducing Our New 2022 Development Roadmap,” IBM，https://www.ibm.com/quantum.
[11]同註10。
[12]張慶瑞，〈二次量子革命-量子電腦霸權已經降臨〉，《2019科普展望的演講》，2020年3月21日，https://binged.it/3cbOmBv。
[13]史蒂克斯，〈量子傳訊，絕對機密〉，《科學人》，2005年2月1日，https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=621。
[14]王志鵬，〈美國先進潛艦難偵測 但「量子科技」將改變全球軍事優勢？〉，《ETtoday新聞雲》，2021年4月21日。https://forum.ettoday.net/news/1957365。