中美科技戰─量子計算
2021.05.28
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壹、新聞重點
2021年5月，中國科大潘建偉研究團隊宣布，成功研發62個量子比特（Qubit）的量子電腦「祖沖之號」，並將相關研究成果發表於國際學術期刊《科學》（Science）上。這是目前全球量子比特數最多的量子電腦原型機，超越2019年10月以53個比特、宣布取得「量子霸權（Quantum Supremacy）」的谷歌（Google）量子電腦「梧桐樹」（Sycamore）。這也是中國繼2020年12月量子電腦「九章」之後，第二度宣布其量子電腦研發成功。
量子電腦運用物理學「測不準定理」和並行運算，性能及安全性遠勝過運用0和1數學原理的傳統超級電腦。美國IBM超級電腦「顛峰」（Summit）需費時1萬年才能完成的工作，谷歌的Sycamore量子電腦只需200秒即可完成；而中國「九章」則宣稱其運算速度比Sycamore快10億倍。量子計算被列為新世代關鍵技術之一，預料將應用於大數據分析、天氣預報、密碼破解、藥物研發、新材料等領域，不僅影響軍事、資安、金融、醫療、能源等，對於一國之國家安全、經濟發展和社會分配等層面也產生關鍵作用，世界各國莫不加碼投資其研發。
為了保持領先，美國川普政府在2018年底實施〈國家量子倡議法案〉（National Quantum Initiative Act），拜登政府上台後也迅速表明將擴大相關投資，以期掌握其主導權。
貳、安全意涵
一、量子科技是未來國家安全之重要基礎
量子科技對國家安全最重要的側面，當屬加密技術（encryption technology）。由於採取光子傳輸和量子本身的種種特性，[2] 量子通訊不僅具高度保密性（量子密鑰分發，Quantum Key Distribution, QKD），可察知中途是否被竊取或干擾，還可在真空中實現遠距傳輸（量子太空實驗衛星， Quantum Experiments at Space Scale），更遑論量子計算的密碼破解能力和速度。量子感測（Quantum Sensing）則可突破目前的匿蹤技術，大幅提升傳統雷達之情監偵能力和精確度。換言之，量子科技無論在民生經濟或國防軍事上都是具破壞性創新特質的關鍵技術，也是未來國家安全之重要基礎。為此，美國智庫指出，若敵對國家在美國強化其網路防衛之前取得量子計算優勢，美國在國家安全層面將面臨嚴重的脆弱性。[3]
二、中國宣稱量子通訊和加密技術已領先世界
中國的量子通訊和加密技術目前居全球領先地位。繼2016年成功發射世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」之後，中國在2017年開通第一條量子保密通訊網路「京滬幹線」、2018年與奧地利完成洲際量子密鑰分發，2021年1月則宣布建構連結衛星和地面、覆蓋範圍達4,600公里的廣域量子通訊網。[4] 「祖沖之號」量子電腦的研發成功，以及「十四五」規劃持續將量子技術視為關鍵重點領域，[5] 在在顯示中國爭奪全球量子霸權的能力和決心。
依據1990至2020年量子技術相關專利來看，量子電腦之軟硬體專利以美國領先，但是量子通訊和加密領域，特別是其軟體專利前5名則全由中國囊括；在專利整體數量上，中國也以3,074項遠勝於美國的1,557項。[6] 即使法國於2017年欲以幻象2000型戰機技術交換量子通訊技術，也遭中國拒絕。此外，中國宣稱其量子電腦「九章」是採用光子、雷射技術和多枚鏡片組成，未使用任何超導矽晶片。[7] 若其言屬實，中國量子科技之發展恐將繞過現行以矽為主的晶片和材料等產製環節，朝其技術自主之目標快速前進。[8]
參、趨勢研判
一、美國將加強量子科技之產官學聯盟和跨國合作
面對中國以國家主導軍民融合加速研發量子科技，美國不但推動國家級量子戰略，也在「國家標準技術院」（National Institute of Standards and Technology, NIST）支持下，組成產官學合作的「量子經濟發展聯盟」（the Quantum Economic Development Consortium, QED-C）。該聯盟除了集結美國量子相關產業和供應鏈之外，旨在建構複雜多元的美國量子生態系（Quantum Ecosystem）和推進量子科技之實際應用與標準化。其主要成員包括：亞馬遜（AWS）、波音、思科（Cisco）、谷歌、 IBM、 Intel等美國高科技大企業，以及30多[9] 的美國大學。由此可見，美國政府未來將逐漸改變原先的新自由主義作風，仿效中國與歐盟之先例，加強產官學多方利害關係人的緊密合作。同時，亦如其組成半導體供應鏈聯盟般，美國也將加強與日本等量子科技先進國的共同研發和跨國合作，設法增強抗中量子聯盟之實力。
二、中國或將利用量子科技建立「社會監控新半球」
若美國不出手遏制中國量子科技，特別是量子通訊和加密技術之進展，中國極可能利用其量子技術稱霸由獨裁者或威權統治之地理區域。雖然美國的華為禁令嚴重打擊華為在5G通訊的全球霸主地位，但是正如圖1所示，華為技術在量子通訊及加密技術之硬體專利數量排名世界第2位，軟體專利則由中國產學研機關包辦前5名。
其中，華為技術早在2019年即已展示其對第六代移動通信網路（6G）、光計算、量子計算等先進科技之強烈關注和投入。[10] 中國國家電網公司是曾經位居《財富》雜誌世界500強排名第2的特大型國有企業，近年業務已擴展至菲律賓、巴西、葡萄牙、澳大利亞等地區。亨通集團是致力於光纖網路、智慧電網、大數據物聯網、新能源新材料等領域的中國國家級創新企業；安徽問天量子科技則是中國量子通訊技術產業化的領導型產業，並由中共中央指定負責量子密碼標準之制訂。
換言之，透過產官學等多面向管道，量子通訊和加密技術可成為中國軍事、經濟與外交之利器，並運用其所主導的量子標準鞏固其國際量子聯盟。依照中國目前社會監控體系和數位支付系統來看，其量子科技未來可能應用於更快速且大量的社會維穩活動，任何個人隱私全暴露在國家監控之下。屆時，地球上某些地區極可能形成社會同質性高且到處充滿國家監控的「美麗新世界」。
圖1. 1990-2020年世界量子科技專利數量分析
資料來源：〈日本左右中美量子技術競爭的走向？〉，《日經中文網》，2021年3月16日，https://zh.cn.nikkei.com/industry/scienceatechnology/44093-2021-03-16-05-00-00.html?tmpl=component&print=1&page=。
[1]〈我國成功研制62比特量子計算原型機“祖沖之號”〉， 《人民網》，2021年05月09日，http://sh.people.com.cn/BIG5/n2/2021/0509/c134768-34715794.html；Frank Arute, et al.“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor,” Nature, Volume 574, pp.505–510 (2019); “R&D focus of new Biden budget likely to provide increased funding for technologies including Hypersonics and Quantum, ” ArmyTechnology , April 15th, 2021, https://www.army-technology.com/comment/rd-focus-new-biden-budget-likely-to-provide-increased-funding-for-technologies-including-hypersonics-and-quantum/.
[2]如：量子疊加、量子糾纏、量子多體效應、不可分割、不可複製等特性。參見李佩蓉、何應賢，〈中共量子科技發展與軍事運用〉，《海軍學術雙月刊》第52卷第6期，2018年12月1日。
[3] K. Kitchen and B. Drexel, “ Quantum Computing: A National Security Primer,” AEI, April 2021, https://www.aei.org/research-products/report/quantum-computing-a-national-security-primer/.
[4] 2021年1月的廣域量子通訊網，透過地面連結量子衛星「墨子號」，網路範圍涵蓋中國北京、濟南、合肥及上海，並已運用於金融、電力等行業。
[5]中國「十四五」規劃中，有關「量子」之章節有5處，有關「人工智慧」者有4處，有關「半導體」（「集成電路」IC）者有2處，有關「超級電腦」者亦有2處。見雨前顧問，〈「十四五」雨前觀察之五：量子通信〉，《騰訊網》，2021年3月30日，https://new.qq.com/omn/20210330/20210330A092UW00.html。
[6]〈日本左右中美量子技術競爭的走向？〉，《日經中文網》，2021年3月16日，https://zh.cn.nikkei.com/industry/scienceatechnology/44093-2021-03-16-05-00-00.html?tmpl=component&print=1&page=。
[7]〈中國和Google搶當「量子霸主」！除了擺脫晶片依賴，竟還有這裡由？〉，《遠見雜誌》，2020年12月9日，https://www.gvm.com.tw/article/76399。
[8]〈量子技術將為中西情報與安全關係帶來顛覆變革〉，《美國之音》，2021年5月6日，https://www.voachinese.com/a/us-china-quantum-competition-20210506/5880244.html。
[9]“QED-C Members“, QED-C, https://quantumconsortium.org/members/.
[10]〈華為在法展示未來科技 光計算、量子計算成研究方向〉，《北京新浪網》，2019年11月6日，https://news.sina.com.tw/article/20191106/33216326.html。