掌握量子計算 具備定義未來的能力

20年前的我們，絕對無法想像大數據與人工智慧帶來的改變，以及在化學、藥物、金融、能源等領域的應用，這些都是算力高度發展所產生的巨大影響。然而，隨著AI技術的演進，下一代的算力是否有能力提供支援？

基於矽工藝的傳統電腦效能一直以來遵循著摩爾定律的預測。然而，在元件愈做愈小且愈來愈精細的要求下，已碰觸到物質世界的極限—原子，而面臨難以突破的瓶頸。林俊達表示，面對越來越巨量的運算需求，勢必要將量子科技納入下一代算力的考量中，因為量子計算已經證明在某些重要的科學問題上會產生指數加速的效能，可處理的計算量可望量變帶來質變，使得未來的科技發展將不再是線性的。鴻海從2020年就積極投入研發量子電腦軟硬體，並在2021年12月成立離子阱實驗室，也是台灣產業第一座量子電腦研發實驗室，目標是五年後推出開源可編程的離子阱量子電腦原型。

離子阱技術效能可望超過超導位元

為了實現量子電腦，需要多個離子排成陣列，並將每個離子作為一個基本運算單元—量子位元，而離子阱則是一種抓住離子的技術。打造量子電腦的技術重點在於量子位元的設計與位元間的操控，目前世界各國投入的重點系統包括超導位元、量子點、光子或離子阱等，例如IBM和Google是使用超導位元做為量子電腦的核心。

比較目前領先的超導位元與離子阱兩者技術，林俊達說明，前者的製程相容於半導體工藝，量子位元數量多且操作速度快，因此相當受到業界青睞。而離子位元的優點則在於天生的「一致性」，資訊儲存時間長，且邏輯保真度高，具有最完備的位元連結性，且能夠移動重組排列，近兩年的效能已經領先超導位元。

量子運算的效能如何衡量？IBM的科學家們提出「量子體積」做為計算度量，用來描述一部量子電腦可解決的問題複雜度，其中包括能夠支配的邏輯量子位元數、可以做多少層運算。有趣的是，雖然這個方法由IBM提出，但離子阱的效能在2021年之後就超越IBM且持續領先。這樣的結果並不難理解，因為就可達成的計算深度，意即在量子資訊能有效維持的時限內可以完成的邏輯操作次數，離子系統是超導系統的1000至1萬倍。同時，離子陣列連結性、保真度高達99.99％都體現了離子系統的優勢。

自製刀鋒型離子阱核心系統

離子阱實驗的系統架構包括超高真空系統，以及用來照射、操控離子的穩頻雷射系統，另外則是透過影像系統和光學元件收集原子發出的螢光之後，再透過光偵測系統導入精密的電腦控制系統進行分析與處理來獲得運算結果。

目前，實驗室已成功研發並製作出第一代單區刀鋒型離子阱核心，並在2022年鴻海科技日公開展出，而下一階段的多區型及晶片型離子阱仍在設計中。刀鋒型離子阱核心使用六片式電極施加交流的強電場來束縛離子，對於離子所在的空間位置提供較好的包覆性以隔絕外界干擾。

而實驗室最終的目標是將離子阱做於晶圓上，因此，雖然半導體材質作為量子位元的特性受限，但作為賦能科技切入將更為全面，這也讓半導體在未來的量子科技中不會缺席。

在量子運算領域發展新技術，必須跨領域尋求合適的專業組織和研究團隊進行合作。目前實驗室和鴻海集團C事業群合作，透過鴻海製造的實力，已經能做出比肩國外水準的刀鋒型離子阱。同時，也和中臺科技大學林志郎教授合作，藉由微米級3D列印技術開發3D列印離子阱，以縮短設計與測試時程，可望在未來達成可擴充性。期望透這些技術合作開發，為量子社群帶給新的啟發。

技術絕非一蹴可幾 投資不宜過熱也不須卻步

從全球對於量子科技的投資趨勢中，可以發現投資者對於量子的期待值已經過了最高點，並開始往下降。林俊達認為，隨著社會對於技術的了解，過熱的期待會慢慢修正，從學者角度來看，希望這個過程是一個緩步而穩定的攀升，不要過熱也不要卻步。

雖然距離量子計算技術的成熟仍然許多待努力之處，林俊達坦言，「我們也擔心外界有超過現實的想像，」實際上，這是產業典範轉型的學習與重要實驗，技術絕非一蹴可幾，需要反覆試錯、累積經驗。硬體製造也極為艱難，更需要很多技術一起到位才能完成。

至於什麼時候量子運算可以勝過古典運算？林俊達認為，首先必須要發展出有效的量子演算法；再者，待解問題的複雜度，以及所需位元數要成指數增加，因為如果不是這樣困難的問題，其實古典運算仍是夠用的；而量子位元數量必須達到一定數目，才能看得到量子計算勝過古典運算；且量子邏輯運算需具有一定的保真度，以及測量複雜度不隨位元數成指數增加。

他表示，雖然不敢說量子計算是未來算力唯一的解答，卻是目前唯一的路，而量子科技也需要跨領域的發展，包括人才、系統、材料、製程、軟硬體等不同技術間的整合。