HHRI/開啟追尋「聖杯」之旅:啟動量子電腦布局 迎接技術典範轉移

【鴻海研究院】
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無論談到人工智慧、半導體或通訊技術的發展,最後幾乎都會帶上一句:「除非量子電腦出現,才有可能改變現況。」量子電腦,無疑是最具顛覆力的下個世代的技術。

量子電腦
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量子運算,無疑是學術界與產業界公認最具顛覆性與創新能量的技術,從人工智慧、密碼學、化學、金融到生物科技等不同領域,都可能因此產生下一個典範轉移。因此,各國政府、科技大廠包括IBM、Intel、Google、微軟⋯⋯早都已投入研發資源。

鴻海集團是台灣目前積極投入量子研究的企業之一,研究院設立量子計算研究所,並成立離子阱(Ion Trap)實驗室。整合軟硬體技術研發,預計五年內推出5到10位元開源、可編碼離子阱量子電腦,作為中、長期可擴展量子電腦的平台原型。

投入量子研究領域,是鴻海集團下一個世代發展策略的重要布局,對台灣產業而言,更是重要的宣示,甚至也是對學術界的一劑強心針。

量子產業距離成功不只一步

量子計算所所長謝明修指出,量子電腦雖然被視為下世代最具顛覆力的技術,但到目前為止,距離成功還有許多待解的關鍵議題。例如,現在最先進的量子電腦差不多有一到兩百個這樣的量級,但一台真正有實用性的量子電腦,需要 10 的 6 次方到10 的 8 次方個量子位元,因此如何做大(Scalability )將會是關鍵。謝明修舉例,100 個量子位元就需要一個房間大小的設備的話,如果更大規模要怎麼設計?這預計將會是未來五年的研究熱點,也是量子所關注的關鍵議題。

量子電腦要能夠真正形成產業,技術的突破只是基本,還需要產學研所構成的生態系統,三方相互支持,才會帶動產業興起。雖然從2020年開始,量子研究在台灣逐漸被重視,政府也開始投入量子運算資源,但這只是起步。

謝明修說,有了資源的挹注後,通常會吸引老師帶著學生投入研究,就算原本不是量子計算專長的老師,也會想辦法切入,也因此能刺激學校培養出一批熟悉量子計算的專家。

要有整合框架才能快速前進

「這些人培養出來之後,要去哪裡?不可能都在學校,」謝明修坦言,接下來就需要產業提供舞台,吸納從學校訓練出來的人才,亦即,必須有足夠強大的產業力量,才能帶動正向的人才流動循環。而鴻海研究院正在扮演這樣的角色,接軌學術界與產業界,把人才的科學專業知識轉換成可實際應用的量子工程技術。

同時,這些人才還需要跨領域的知識,因為打造一台量子電腦,需要硬體加上軟體配套,硬體控制涉及傳統電機系相關技能,軟體除了軟體工程訓練之外,也需結合量子知識,才可能讓量子電腦實現。

鴻海研究院離子阱實驗室主任林俊達表示,量子電腦的研發在起步階段就必須有系統整合的概念,不只是專注於個別學術成果與論文的產出,更需要實質面的跨界整合,在一開始就建立完整的佈局(Roadmap)與系統性思考,從科學、技術到產品研發,硬體到軟體,都有具體的整合框架。他強調,只有透過這樣的方式,才能互為援引,快速累積經驗與分享研究成果,「整合才能前進,而鴻海最適合擔任這個整合的角色。」

以離子阱突破量子電腦門檻

林俊達坦言,鴻海投入離子阱實驗室,對於基礎物理界是很大的強心針。那麼,離子阱是什麼?鴻海為什麼選擇投入研發離子阱?這必須從量子電腦的原理談起。

不同於傳統電腦以0或1的位元(Bit)處理資料,量子電腦(Quantum computer)是以量子位元作為運算單元,最大的特性就是能夠同時為 0 和 1,如果有N個量子位元,那它們就可以有2的N次方個基本態的疊加,代表2的N次方個同時存在的狀態,因此能展現出驚人的量子平行性,提升指數加速的運算能力,量子電腦也因此能進行大量的平行運算。

因此,打造量子電腦的重點技術在於量子位元的設計與位元間的操控,目前有幾個發展中的技術系統,包括超導體、半導體、光子或離子阱等,例如IBM和Google是使用超導量子位元作為量子電腦的核心,Intel則是選擇半導體。相較於這些大廠,鴻海選擇投入離子阱研究的原因是什麼?

「離子阱是一種技術,這裡更指的是一種物理系統。而我們要以這個系統來實現量子電腦。」離子阱實驗室顧問、中研院原子與分子科學研究所副研究員張銘顯說,早在1950年代就被發明的離子阱並不是很新的技術,目前較為成熟且重要的應用包括質譜儀(註:用質量來測量並分析物質的儀器)。離子阱主要是透過數伏特至千伏特的時變電場以及靜電場來囚禁離子,只要原子束在離子阱中間與電子束或是游離雷射的光子束碰撞,進而產生游離,就能將帶電原子(原離子或簡稱離子)束縛在阱中。

為了避免量子特性受到破壞,離子還必須被維持在絕對低溫、並被隔絕在超高真空的乾淨環境中。所幸這些都是成熟技術,例如雷射冷卻就是讓原子停下來的技術。在產生離子同時,對阱中的離子施以雷射冷卻,它們就可以在毫秒的時間內失去絕大部分的動能而停留在阱的底部,對應的溫度約為絕對溫度千分之一克爾文(Kelvin)。若繼續施以進階的雷射冷卻,更可以降至百萬分之一克爾文。

老天爺給的禮物願意抓就有機會

「這是老天爺給的禮物,只要你願意抓就有機會,」張銘顯說,雖然量子科技目前仍被認為是「天邊的彩虹」,投資回報的機率似乎不是1就是0,沒有人可以確定必然可以成功。但他相信,在這個追逐技術的過程中,至少能為台灣下一個世代的科技產業打下良好基礎。

為什麼說離子量子位元是上帝給的禮物?因為相對於超導或半導體系統中的每個人造量子位元或多或少具有差異,離子則是善用天然存在的原子來儲存量子資訊,具有天生的一致性。相較於光子系統,光子只要不飛行就會消失、並容易在飛行中被湮滅,因此很難「儲存」光子來實現量子記憶體。但離子被穩固地囚禁在離子阱中,其量子同調時間長度也是其他系統難以匹敵的,因此要實現任意量子操作會容易許多。

當然,離子阱系統還有許多技術需要克服,例如,要如何將量子位元數擴展至數百、數萬、甚至百萬,並且能隨心所欲的產生、控制、以及測量多個量子位元產生的量子糾纏態,而這就是未來發展的重點。

為下個世代產業打底的工程

由於量子電腦需要許多技術門檻極高的致能科技(Enabling Technologies)加以支持,對硬體規格的要求可謂近乎苛求,一些困難的工程問題,無法單靠學術界解決,因而需要工業界的支援。

張銘顯舉例,像是發射雷射光去偵測原子,受到激發後的原子不久會掉回基態並發出光子。如果希望這過程中發出來的光子都被相機偵測到,相機的靈敏度就必須要很高。這樣的相機技術未來不只能用在量子電腦上,還能應用在生物科技上。所以,在研發離子阱的過程中,將會賦能許多新的科技,相信也能為產業帶來啟發,並奠定突破、成長的基礎,「這是為下個世代產業打底的工程。」

林俊達表示,隨著離子阱實驗室的成立,結合鴻海科技集團在半導體、資通訊和精密製造的能力,開發離子阱晶片、積體光學,以及先進集成電路等核心硬體設施,而量子計算研究所則將主導軟體部分,也就是開發量子編譯器,並尋求業界合作。雖然目前台灣落後全球量子電腦的競爭20年,但是台積電剛成立時,也是落後Intel約20年,但30年過後不僅追上甚至還領先。張銘顯說,「雖然投資的結果可能是全拿或全輸,不是1就是0,但我們能不能留下0.5?」

量子計算所所長 謝明修量子:
"電腦要能夠真正形成產業,技術的突破只是基本,還需要產學研所構成的生態系統,三方相互支持,才會帶動產業興起。"

離子阱實驗室主任 林俊達:
"量子電腦的研發在起步階段就必須有系統整合的概念,不只是專注於個別學術成果與論文的產出,更需要實質面的跨界整合,在一開始就建立完整的佈局。"

離子阱實驗室顧問 張銘顯:
"在研發離子阱的過程中,將會賦能許多新科技,也能為產業帶來啟發,並奠定突破、成長的基礎。"

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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