《量子電腦和量子網路》:「量子霸權」時代來臨,中國在這場競賽中巴不得能拔得頭籌

《量子電腦和量子網路》:「量子霸權」時代來臨,中國在這場競賽中巴不得能拔得頭籌
Photo Credit: Shutterstock / 達志影像

我們想讓你知道的是

全球著名科技雜誌《連線》資深編輯,在書中以淺顯易懂的文字,說明當今科技巨擘如IBM、Google、Microsoft等,以各種不同的方式研發量子電腦,以及量子通訊目前的最新進展。

文:阿米特・卡特瓦拉(Amit Katwala)

量子霸權

網路安全專家一直害怕「Q-Day」(又稱「Y2Q」)的降臨,即是開發出可打破大多數現代加密標準的量子電腦的日期。如果哪個國家率先到達這一階段,那麼它可能會造成麻煩,此即新美國安全中心的報告所談到的「量子意外」:某一國家開發出其他國家甚至還不知所以然的技術。中國在這場競賽中巴不得能拔得頭籌。

中國政府將量子視為「超級工程」的重點,著眼在量子通訊和量子計算方面取得重大突破。根據報導,中國正投資一百億美元在合肥興建「量子訊息科學國家實驗室」。蘭開斯特量子技術中心主任、成都基礎與前沿科學研究所兼任教授羅伯.楊認為:「過去五年中,中國在量子技術方面挹注了大量資金,如今它已處於領先地位,而且進展相對較快。」

過去幾年,中國的公司申請的量子計算相關專利,數量爆增。根據專利布局公司Patinformatics的數據,二○一四年美國和中國申請的專利數量相當,但到二○一七年,中國申請的專利數量幾乎翻了一倍。中國在量子科技與人工智慧領域的雄心類似,投資手筆也很類似,部分原因是希望將自己定位為未來幾十年的科技領頭羊。

羅伯.楊表示:「中國基本上錯過了數位革命,這確實讓他們的經濟倒退了。如今它不想再打瞌睡了。」潘建偉也同意這種看法,他說:「在現代資訊科學方面,中國一直扮演學習者和追隨者的角色,如今到了量子科技時代,如果我們盡力而為,就可以成為其中的主力。」潘氏被科學雜誌《自然》稱為「量子之父」,與史諾登一樣,都是中國量子技術進步的關鍵推手。

受到美國國家安全局洩密事件的影響,中國在最初量子計算上取得的大部分進展不在硬體,而是在量子安全通訊上,具體的成就包括墨子號衛星的發射以及山東省北部地面量子網絡系統的建置等項目。潘氏認為:「在量子通訊領域中,我們領先於世界各地的同行。」他也曾經說過,史諾登的揭密事件為他的工作帶來新的動力和緊迫性。」

騰訊、阿里巴巴和百度等中國公司也加入了量子競賽,但是起跑時間晚了一點。潘氏表示:「才幾年前,你很難說服這些中國的電子商務公司投資這類研究。但是,受谷歌和IBM或英特爾和微軟的影響,所有中國電子商務公司現在都在推行自己的量子技術計畫。」

單就量子位元的淨數量而論,中國的表現還無法與美國這一競爭對手相匹敵。然而,在二○一八年,中國科學家確實將十八個量子位元連接起來形成量子糾纏而締造了世界紀錄。所謂的量子糾纏,是指量子電腦實際用於計算時所必需達成的互連狀態。這符合發展的通用模式。Patinformatics公司的常務董事托尼.特里普說:「有人認為中國在生產量子位元的新方法上已取得了突破,但還沒有確實的證據可供採信,這是基礎科學,而且生產的方法就那幾種。過去四年,中國在專利申請方面的強項主要表現在應用領域。」

中國的金融實力在下一階段量子計算發展上實為關鍵。提出墨子號背後理論的阿圖爾.埃克特主張:「就中國打造量子環境的用心而言,這是很重要的。比方,如果全世界只有你有電話,那麼你就沒有打電話的對象,這樣生產一支電話是不夠的。你還必須擁有整個基礎設施,一整座金字塔,不僅是一群古怪的物理學家,還要有量子工程師、電腦科學專家、密碼學家以及售貨人員。」

埃克特將中國的做法比喻成一九六○年代美國太空總署送人登陸月球的阿波羅計畫。他說:「目前還不清楚哪種特定的量子技術(超導電路、離子阱等等)能行得通。你必須先讓許多在各領域互補的專業知識人士齊聚在一起。」

也許和誕生於美蘇激烈競爭年代的阿波羅相比並不合適。有人不禁要將量子計算和密碼學的發展描繪為一場零和遊戲,形容中國與美國正在爭奪全球科技的寶座。不完全是那樣。潘建偉的科技基礎是在歐洲養成的,而中國的研究人員也一直與奧地利人密切合作,開發墨子號及其相關技術。

然而,隨著量子科技技術從學術邁入應用領域,大家的態度已發生輕微的轉變。埃克特說:「五年以前,我會說那是合作的關係,但過去五年裡,出現了一點泡沫化跡象。各方的擔憂其實既健康又合理。這個領域太重要了,不能讓某個特定地區遙遙領先。」在羅伯.楊看來,挑戰如此複雜、昂貴,以致哪個國家想要超前競爭對手一步都很困難:「我想現在很難藏住任何東西。」

該領域並不是統合的,不同的研究小組各自嘗試不同的方法,而各國都將其資源挹注在各式各樣的計畫上。二○一六年中國政府將量子科技置於第十三個五年計畫的核心,從那之後,歐洲和美國都落實了自己的投資計畫。歐盟正將十億歐元投入其量子科技的旗艦項目中,而該項目已於二○一八年啟動,並宣布為二十個新計畫提供資金。美國有個跨黨派團隊一直致力於立法工作,並為量子研發投入十二億五千萬美元。

中國人則專注於構建多衛星的量子網絡,同時設計量子模擬器來解決科學問題。一些美國的大型科技公司致力於提高量子位元數量,並降低量子電腦的出錯率。英國目前是量子演算法領域的翹楚。羅伯.楊認為:「真正令人興奮的是,大家並不知道量子的潛力將發揮到什麼地步,這也是中國人在此一領域投入大筆資金的原因。量子很明顯將成為下一個革命性的科技,必然會出現大量值得關注的設備,中國人投資的正是這種潛力。」

中國的投資無疑使其站上有利的地位,但我們還不清楚哪些方法能行得通,以及它們能造就什麼。中國的重大突破可能來自合肥一百億美元的量子中心,或者來自其他地方相對較小的投資計畫。領頭的可以是單一國家,但要使量子成為一項真正具有革命性的科技,還有待全球的共同努力。潘建偉說:「量子科技不可能由單一國家開發。各國可以相互競爭,但是大家需要溝通、合作。」

書籍介紹

本文摘錄自《量子電腦和量子網路:科技的下一場重大革命,它們如何運作和改變我們的世界》,真出版

作者:阿米特・卡特瓦拉(Amit Katwala)
譯者:翁尚均

  • momo網路書店
  • Pubu電子書城結帳時輸入TNL83,可享全站83折優惠(部分商品除外,如實體、成人及指定優惠商品,不得與其他優惠併用)
  • 透過以上連結購書,《關鍵評論網》將由此獲得分潤收益。

NTU-IBM量子電腦中心 張慶瑞主任/專文推薦
國立成功大學資訊工程學系 鄭憲宗教授/審定
量子電腦只要200秒就完成超級電腦一萬年的複雜計算
IBM、Google、Microsoft、amazon、Intel都投入的下一場革命性創新

量子電腦與其說是一台機器,不如說是一股自然力量。

從一九四○年代一個房間大的密碼破譯機電腦,到今天小至可以放在口袋的智慧型手機,它們的運作原理都差不多。而量子電腦是以另一種全新的計算方式,即將徹底顛覆我們理解和計算世界的方式,這個新計算方式的到來,就是「量子霸權(quantum supremacy)」的時代。

量子存在著謎一般的物理特性,例如其「疊加狀態」,即是波又是粒子,這種雙重特性讓一個量子位元同時是0又是1,這在傳統電腦上就需要二個電晶體位元表示0或1。一個量子位元能夠保存更多的計算訊息,因此量子電腦可以實現指數級加速的計算能力。

另一個連愛因斯坦也解不開的量子之謎,即「量子糾纏」,二顆相關聯的量子,無論距離多遠,它們的特性都保持相關聯,因此發送端將訊息加在量子上,另一頭接收端的量子就能立即(沒有時間差,比光速還快)改變其狀態,瞬間傳遞訊息,且達到不可能被攔截的絕對安全性。

這些神祕的量子特性,如何被科學家應用在電腦計算、遠距通訊呢?作者為全球著名科技雜誌《連線》資深編輯,在書中以淺顯易懂的文字,說明當今科技巨擘如IBM、Google、Microsoft等,以各種不同的方式研發量子電腦,以及量子通訊目前的最新進展。量子科技的發展,將解決需要大量運算的複雜問題,例如:

  • 找到更便宜、蘊含量更豐富的電池材料,以取代越來越少的鋰
  • 改善農業使用的氮肥生產程序,減少傳統化肥生產的碳排放
  • 破解捕捉二氧化碳的化學方式,減緩全球氣候暖化的問題
  • 模擬人體極複雜的內部相互作用和過程,更快開發出新藥物
  • 無法被攔截的訊息傳遞,保障更安全的網路環境

雖然量子科技還有許多艱難的技術問題有待解決,但其無限巨大的潛力,注定是人類未來最重大的技術革命。

(真)2ARB0018量子電腦和量子網路立體書封(72dpi)
Photo Credit: 真出版

【加入關鍵評論網會員】每天精彩好文直送你的信箱,每週獨享編輯精選、時事精選、藝文週報等特製電子報。還可留言與作者、記者、編輯討論文章內容。立刻點擊免費加入會員!

責任編輯:翁世航
核稿編輯:王祖鵬


猜你喜歡


新國科會主委吳政忠:部會協力串聯,打造不只科技部的科技,回應社會多元需求

新國科會主委吳政忠:部會協力串聯,打造不只科技部的科技,回應社會多元需求
Photo Credit:TNL Brand Studio

我們想讓你知道的是

國家科學及技術委員會揭牌及主任委員布達儀式7月27日於科技大樓舉行,原科技部部長吳政忠出任首任主任委員,承接過去使命再提出四點精進方向,期待透過跨部會協力,布局新興科技與產業。

科技部改制為「國家科學及技術委員會」(以下稱「新國科會」),7月27日於科技大樓舉行揭牌及主任委員布達儀式,與會貴賓不只涵蓋產官學界,總統蔡英文及行政院長蘇貞昌也親臨會場,共同見證我國科研事務推動最高權責機關成立,為政府組織改造立下重要的里程碑。

JOHN5285
Photo Credit:TNL Brand Studio

新國科會打造不只是科技部的科技,建立科技與臺灣社會的多元聯繫

臺灣的科技不應該只有科技部,而是還有經濟部、衛福部等所有部會在一起,但是用科技部的名稱出去國外,好像就變成全臺灣的科技都是科技部的。所以我說,科技不會只有科技部的科技,應該是所有部會的總合。

新國科會首任主委吳政忠在致詞開頭即強調「部會合作」的組織核心,表示「科技不只是科技,科技與經濟、社會、環境等面相都有密切的關係」,也因此不應侷限於某個部分,應當是多個部會、學術界、產業界等攜手合作推動。

有別於過去科技部與行政院科技會報辦公室以合作關係來協調部會,未來新國科會改以委員會的組織形式運行,透過每月主要部會的首長共同商議策略方向,能夠整合部會資源,協作共達目標,此舉不只立下我國科技發展全新的里程碑,也讓臺灣能夠更靈敏的面對國際競爭。

JOHN5141
Photo Credit:TNL Brand Studio
新國科會主委 吳政忠。

新國科會前身是1959年行政院國家科學委員會,又於2014年改制為科技部,過去肩負推動全國整體科技發展、支援學術基礎研究,以及發展科學園區等三大使命,在歷任部長的努力下,更將創新創業加入推動目標。如今的新國科會不只承接過去使命,主任委員吳政忠更提出以下四點未來新國科會所精進的方向:

一、跨部會協力,布局新興科技與產業
儘管臺灣小、科技預算不如國外,但臺灣部會之間高效率、精準連結的合作模式,將成為與國外競爭時的最大優勢,而「跨部會」溝通不只是未來新國科會的努力目標,也是新國科會最核心的思考架構。

二、基礎學術研究奠基
回顧過去兩年臺灣新冠疫情的防疫成果,無論在病毒醫學還是疫苗研發領域,基礎科學研究一直都是技術開發的堅強後盾;所以在臺灣邁向國際頂尖的路上,無論半導體、太空、還是人工智慧,科技的基礎研究與國際互動都將是新國科會注重的發展方向。

三、打造精緻多元的生活科學園區
過去半導體產業已替臺灣打下堅實的基礎,科技園區的產值從2.7兆成長到去(2021)年3.7兆,但除了半導體,其他的產業也需要布局,尤其是精準健康、智慧農醫、電動車、太空科技、低軌衛星等「接近生活」的重點產業。

四、實踐科技的人文社會價值
隨著科技與生活拉近距離,未來的科技發展必然需要與社會需求、環境永續連結,回應外在社會環境的變化;此外,科技人才培育、加強臺灣女性在科技面的投入比例,都將是未來新國科會欲強化的目標。

JOHN5412
Photo Credit:TNL Brand Studio

進一步探究,就會發現上述新國科會的策略方針並非憑空發想,而是源自對產業發展的細微觀察與豐富的知識、經驗的珍貴結晶。早在吳政忠任職行政院科技顧問組副執行秘書時,就已觀察到「當科技更接近生活,產品價值就會大幅度的翻倍成長」的現象,再回顧臺灣善於代工製造零件的發展歷史,才萌生「將臺灣強而有力的製造技術與創新想法整合」的初步想法。

但是「整合」一詞的背後,需要的是基礎研究、應用研究,產業實務之間的環環相扣,過程不只涉及公私跨部門、跨領域的協調,也是一個漫長轉換的過程,並非一蹴可及。最後,在數年醞釀及無數人的共同努力下,儘管過程困難重重,以「部會合作」思考為核心的組織架構「新國科會」終於順利誕生,讓整體國家的科技發展得以提升至行政院層級的高度,向下整合上中游的基礎研究、下游的應用研究及產業實務的連接,創造更多的商機與價值。

JOHN5337
Photo Credit:TNL Brand Studio

新國科會的挑戰與期許,後疫情時代的科技人文關懷

如今全球進入後疫情時代,國際關係變動不定,更面臨供應鏈重組、數位轉型等產業挑戰,科技作為國家發展重要的中堅力量,勢必需要更快速的布局因應,在變動中搶得先機。但除了研究與創新,科技與人文社會的結合也是新國科會的一大核心。

隨著人工智慧、太空等科技發展,生活中科技將無所不在,因此未來傳統產業必然將被完全翻轉,此時人文社會科學就扮演嫁接技術與生活文化的重要橋樑,彰顯科學研究成果對人類福祉的巨大貢獻。但這一切的前提是科技與社會必須主動伸手,彼此接觸、相互了解,攜手促進社會總體的福祉發展。新國科會成立之日,同時也是「國科會職場互助教保服務中心[註]」揭牌日,便能看見國科會對人文的用心,除了前述四大重點外,對於女性人才的培育、原住民教育的深耕、環境永續,都將是國科會的重點目標,如何透過科技連結社會的需求,正是新國科會追求的核心,因此新國科會不只是部會整合、資源分配與未來展望而已,更是將科技應用在民間的推動者,同時成為科技與人文交流的平台,最大化科技對總體社會福祉的貢獻。

國科會科技辦公室 廣告


[註]:國科會職場互助教保服務中心於110年8月開辦,位於科技大樓1樓,是臺灣公共托育協會承接的第一間職場教保中心。以平價、優質、非營利、社區化之方向營運,希望透過政府與公益法人團體協力的方式,結合民間團體資源,提供孩子優質的教保品質,減輕社區家庭照顧負擔,提升教保人員工作環境與權益。資料來源:財團法人彭婉如文教基金會


猜你喜歡