检视半导体产业发展轨迹 台湾量子国家队集结新战力

台湾晶圆代工、IC设计和制造已居世界领先地位，然制程微缩技术已接近物理极限，量子穿隧效应无可避免，现有的数据处理运算原理再往前迈进的空间变小，因此量子计算与信息理论，可能是产业界新的方向之一。

1960年代英特尔(Intel)创始人之一的Gordon Moore提出芯片晶体管数目以每18个月的速度成长1倍的经验法则(即摩尔定律)。按照这种速度到2020年左右就会走到原子尺度。但原子尺度就是计算机发展的终点吗？

对培育无数半导体人才的电机系所而言，势必要跨域指导学生量子力学(quantum mechanics)、统计力学(statistical mechanics)等基础理论，才能因应产业界进入埃(Angstrom)时代的工作挑战。曾接受DIGITIMES专访的成功大学工程科学系讲座教授黄吉川，早在1992年3月发表的文章就指出，量子信息的发展将会重塑人类的数码文明。

黄吉川30年前就指出，原子尺度不是计算机发展终点的理由，是人类在2020年之前就开启了量子信息与计算理论的研究。可惜的是，过去这段时间台湾沉浸于半导体产业的成功，一直等到30年后行政院科技会报办公室、科技部、中研院与经济部才仓促成立「量子系统推动小组」，2022年2月24日召开第一次会议。

事实上，台湾量子科学研究已投入多年，只是不被外界重视。相关领域的教授们投入量子理论研究和实验，持续在国际知名学术期刊发表论文。只可惜政府补助经费零零星星，培育出来的量子科研人才在台湾没有就业机会，因此不是被外国高薪挖角，就是进入半导体产业做与量子电脑、量子通讯完全无关的工作。

用有限资源杠杆最大研究成果

看到欧美和国内的重视程度、再加上台湾学界如张庆瑞、林育中等人的再三呼吁，及富士康率先成立离子阱实验室的趋势发展，2022年3月政府终于要执行「量子科技专案计划」，选出中研院、清大、阳明交大、台大、中央、中原等校17个优异的教授团队、72位计划主持人，争取到24家厂商早期参与，携手打造台湾的「量子国家队」。

至于经费则是行政院核定的5年内投入新台币80亿元。这次政府并未要求业界出资，以示政府支持量子科技与发展量子产业的决心。

事实上，台湾5年80亿元(约2.8亿美元)经费相对于国外如IBM、Google，乃至于发展出「墨子号」量子通讯卫星、「九章」量子电脑的国内所投入量子科研经费其实是相当有限的。和荷兰的「Quantum Delta」7.3亿美元投资规模相比，也输一大截。

但台湾特色就是用最少金钱和最有限资源，杠杆出最大的成就。不论学界、业界，都是这样的思考逻辑和做事方法。量子计算的硬件设计和软件编译与电子设计自动化(EDA)有密切相关。富士康是台湾第一家宣布要做量子电脑的企业。

量子电脑的构想始于1980年代初期的Paul Benioff的杜林机，知名物理学家Richard Feynman为了更完整地模拟量子力学，提出基于可逆计算的量子电脑模型。之后的David Deutsch则提出第一个通用量子杜林机与量子平行理论的模型。

但是量子信号和天文观测信号一样是极为微弱的，而且一旦有干扰就会出错，而且不易修正，因此当时的研究并未获得广泛的重视。一直到1993年Seth Lloyd提出量子电脑系统和1994年Peter Shor提出着名的Shor量子演算法，才开启学界的研究热潮。

找出最适合台湾的量子发展路线

做为国家资源的权威分配者，政府的量子电脑或量子科技产业的规划到底是什麽？根据科技部「量子科技专案计划」徵求公告，政府的目标就是针对目前量子科技硬件与软件之技术瓶颈，建立跨领域国家级研究团队，开发具突破性的量子科技软硬件关键技术，打造「适合台湾发展的路线」，并为在地产业带来典范性转移(Paradigm shift)。这里的「适合台湾发展的路线」，当然指的就是半导体产业。

科技部的徵求公告指出，量子电脑与量子通讯是当代量子科技中两个最重要的应用领域，其概念是以量子力学中量子叠加(superposition)与量子纠缠(entanglement)等特性来进行逻辑运算或信息传递。

量子科技在网安与国防、金融系统、新药研发、新材料设计、新型人工智能(AI)等重要科技领域将具无可取代的重要性，亦将带来革命性的改变。执行计划期间，团队需配合行政院科会办的「量子系统推动小组」建议，进行各团队整合与技术桥接。

过去台湾那种零零星星，捉襟见肘且过于分散的量子科研补助已难以创造新的突破与成就。尤其是单打独斗的科研成果，要进入产业应用十分困难。也因此中研院院长廖俊智强调，台湾量子科研与应用的重点原则必须是「聚焦、合作、整合」。

所以如何透过技术论坛与成果发表，协助研究与技术开发成果产生扩散与外溢效果，进而协助达成先期技术与产业之桥接都是量子系统推动小组成员包括果尚志、张文豪、王明杰等人未来几年的重点工作。

按照目前规划，主要还是考虑台湾在半导体芯片制程、IC设计与封装技术的基础，优先投入固态量子技术，即是包括以半导体、超导体或其他固态材料为基础所建构量子位元为主体之相关技术。至于在扩充性方面有难以突破瓶颈的离子阱等非固态量子技术，政府也不排斥学界投入研究。

毕竟，Honeywell和IonQ等先行业者已证明可行，而且可维持很长的同调性与高控制精度。但科技部要求的重点是可积体化、芯片化并具有可扩充性。在这个大方向下，再做「材料技术」、「量子位元」、「控制/量测电路与系统整合」。由于政府要求的技术难度甚高，如果没有强烈的企图心与卓越的团队研究实力，是不可能挑战这项目标。

量子科技专案划定三大研究领域

台湾量子国家队的组成与投入方向，主要是根据科技部「量子科技专案计划」的徵案结果。而政府一开始就先划定三大研究领域，除量子电脑外，还有光量子技术及量子科技软件技术等三大类。不过2022年3月17个团队成军后，台湾量子科研方向主要分成「量子元件」、「量子电脑」、「量子演算法」及「量子通讯」等四类技术项目，亦可跨项目整合发展。

以张庆瑞等人要投入的量子软件与演算法为例，其之所以重要是因为量子电脑在数值分解、量子系统模拟、数据库搜索、计数、机器学习、组合最优化等方面优于古典电脑。但必须开发新的程序语言、编译器和应用工具，才能让量子电脑的运算能力获得充分的发挥。

科技部数据指出，量子电脑要实现一种有意义的量子计算，每个逻辑闸的错误率要远低于10的-10次方。这无法只靠物理方法实现，需要利用量子错误更正码的技术来保护量子态，借此使量子运算能得到近似于理想的容错量子计算(fault-tolerant quantum computation)。

再者，量子位元数量规模的增加，还要发展较高端的量子程序语言。如此才是渐趋成熟的量子电脑与量子操作系统。也因此，量子演算法、软件界面、程序语言、量子口令学与后量子口令学、以及量子模拟器与量子计算应用都是必要的研究题目。

在矽基量子位元方面有多年研究经验与阶段性成果的台大物理系教授管希圣指出，人类已进入了所谓的杂讯中等规模量子(NISQ)电脑时代。在真正的容错量子电脑问世前，找寻和研究在NISQ系统中使用50~100或更多量子位元，来解决重要问题并达到有说服力之杀手级应用或量子演算法成为非常重要的课题。

台湾量子电脑暨信息科技协会理事长、中原大学讲座教授张庆瑞引述国外报告表示，由于量子电脑的计算能力是指数型成长，当人类发展出100个量子位元后，很多问题都能迎刃而解，包括一般最佳化问题和化学问题。500个量子位元就可以描述全宇宙的状态。

掌控量子技就能掌控全世界

而IBM在2021年底发表的127量子位元的量子处理器Eagle，就跨越了100量子位元的关卡。IBM进步之快，已让全世界感到震惊。也难怪有美国智库认为，量子技术等于是二战前的核弹技术，先掌控这个技术的国家就能掌控全世界。

检视台湾半导体产业的发展轨迹，一开始也是跟随美国的技术和经验。如今IBM开启了量子世纪，台湾在具有革命性的新科技方面岂有缺席、落后的道理？至少也要能知道量子电脑、量子演算法是什麽，思考台湾可以扮演什麽角色。

中研院应用科学研究中心成立量子光电专题中心及量子电脑专题中心，中研院南分院的量子科技研发基地与实验大楼正如火如荼赶工中，就是台湾要大力投入量子科研与产业的明确信号。

近几年，清大物理系副教授褚志崧完成台湾第一次的量子加密通讯测试；台大物理系教授管希圣在量子口令学和矽基量子位元方面也获得突破，还申请美国专利；富士康研究院更一马当先，积极扩大量子研发团队。

相信未来在厂商、政府跨部会的支持下，台湾不论投入量子拓扑材料、低温物理、微波工程量测、超导量子位元、光量子位元、量子通讯网络、CMOS整合锗量子位元、量子计算最佳化及在金融的应用等关键技术等研究都有机会开花结果。

责任编辑：朱原弘