何謂量子晶片？美中「量子科技」爭霸錄─科技與智慧（8）

作者：陳華夫

（本文最近一次內容更新是在2023/10/12）

2013/6月，英特爾（Intel）成功整合半導體，推出最新款12量子位元研究晶片”Tunnel Falls”，提供研究社群使用，讓量子實驗變得更簡單；IBM也宣布一項研究結果，顯示其127量子位元的Eagle量子電腦，克服了原先量子電腦因雜訊過多而影響計算準確度的限制，拓展至實用階段，力拼兩年後打敗傳統超級電腦。而不論是美國波音公司（Boeing），或日本富士通（Fujitsu）、日立（HITACHI）等大廠，皆爭相奔赴，尋求量子電腦如何結合自家應用。
據報導，全球投入量子科技的預算高達225億美元（約新臺幣6750億），依法國市場分析公司Yole Développement估計，包含量子計算（quantum computing）、量子通訊（quantum communication），量子感測（quantum sensing）等在內，2020年整體量子科技市場規模約為3億4,000萬美元，在2030年將成長至29億美元，年成長率高達24%。量子科技產能潛力無限，誰能掌握關鍵技術及服務，誰就能開創新世紀。（見量子晶片掀科技革命 臺灣半導體產業搶佔先機）

美國2020/10/15日公佈「關鍵和新興科技國家戰略」，人工智慧 (AI)、量子資訊科學、半導體等 20 項技術都被列入清單，藉此保護美國在這些尖端科技方面的領先優勢。兩天後（2020/10/17日）中國通過《中華人民共和國出口管制法》自2020/12/1日起施行。據彭博新聞社報導：「這項新法律將“加入”北京的監管“武器庫”，其中已經包括一份禁止出口限制出口技術目錄和一份不可靠實體清單。這項法律還將有助於把中國置於與美國類似的地位，美國經常戰略性地對其對手使用出口管制和許可證。」（詳細，請看拙文中美博奕大戰略之中美尖端高科技爭霸的真相─科技與智慧（32））

於是美中科技戰，已從5G的半導體IC戰（見拙文「華為禁令」對台積電的考驗─美中經濟（22））、造船（見拙文美中軍民用造船工業爭霸錄─美中經濟（27））、造飛機（見拙文美中第5代隱形戰機製造的爭霸錄─美中經濟（28））、稀土材料（見拙文「石油時代」翻篇與「稀土時代」崛起的啟示錄─美中經濟（26））、彈導導彈（見拙文美中彈道導彈之異地異時攻擊的衛星太空爭霸錄─科技與智慧（6）），正式進入量子科技（Quantum Technology）爭霸戰。

拉斯·耶格教授說：「今天的量子物理學家就像舞台上的魔術師，每晚都輕而易舉地把白兔從帽子里拉出來。但他們和觀眾一樣，對這些最初是如何進入帽子的了解甚少。我想帶你進入完全瘋狂、美妙和不可思議的量子世界．．．．而物理學家僅在最近才掌握量子糾纏現象。」（見《第二次量子革命：從糾纏到量子計算等超技術》，第xvii頁）

英國《金融時報》報導（見歐美科學家分享諾貝爾物理學獎）2022年諾貝爾物理學獎展示了：
「對量子糾纏之『糾纏狀態』的粒子進行考察和控制的潛力。當兩個粒子處於量子糾纏之「糾纏狀態」（用來表示量子鏈接的科學術語）時，一個粒子發生的事情對另一個無論相距多遠的粒子都會產生瞬時影響，直接駁斥了愛因斯坦當年將它不屑地稱為「鬼魅般的超距作用」。但是這三位諾貝爾獎得主用量子糾纏之糾纏狀態的光子（光粒子）進行了實驗，證實了早期量子理論家的預測─即量子糾纏現象終將被證明是真實存在─是正確的。
使用量子糾纏的意義在於，你可以將一個物體攜帶的訊息轉移到另一個地方，在那裡重構該物體。這種瞬時訊息傳輸經常被稱為「瞬間轉移」，不應該將其與《星際迷航》(Star Trek)等科幻作品中不切實際的瞬間轉移固態大物體的想法相混淆。

中國科學技術大學新聞網消息，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與北京清華大學馬雄峰、復旦大學周遊合作，使用光晶格中束縛的超冷原子，通過製備二維原子陣列、產生原子比特糾纏對、連接糾纏對的分布擴展方式製備了多原子糾纏態，並通過顯微學技術調控和觀測了其糾纏性質，向製備和測控大規模中性原子糾纏態邁出重要一步。

這項研究成果近日發表在國際權威學術期刊《物理評論快報》上，美國物理學會（Physics）以〈光晶格量子電腦的里程碑〉（Milestone for Optical-Lattice Quantum Computer）為題作了報導。
量子糾纏是量子計算的核心資源，量子計算的能力將隨糾纏比特數目的增長呈指數增長。因而，大規模糾纏態的製備、測量和相干操控是該研究領域的核心問題。在實現量子比特的眾多物理體系中，光晶格中的超冷原子比特具備良好的相干性、可擴展性和高精度的量子操控性，成為實現量子資訊處理的理想物理體系之一。（見量子糾纏新突破！ 大陸科學家奠定光晶格量子計算基礎）

用糾纏光子進行的瞬間轉移實驗，已經通過中國與奧地利之間的7600公里衛星鏈路展示了量子加密通訊的可行性。也許最具變革性的應用將是量子計算，它為我們開啟了高效率、快速地進行複雜計算的途徑，「假以時日，實際應用可能包括更快地開發藥物和疫苗、提高電池效率、提高天氣預報的準確性以及通過量子加密來保護數據等，量子科技的一項早期應用是在蓬勃發展的密碼學領域，即構建數字代碼以確保安全通訊。如果有人截獲量子加密通訊加密的量子信號，量子糾纏就會消失，訊息隨之消失。」（見歐美科學家分享諾貝爾物理學獎）

另外，無數的科學家和政府都在期待著所謂的第二次量子革命。掀起第一次量子革命的推手之一就是雷射（激光）技術的發展，而雷射在今天也已經是許多日常電器的一部分。第二次量子革命影響範圍可能更加廣泛。最廣為人知的發展面向就是量子電腦，而它便是以量子糾纏的單元作為基礎。另一個例子是量子加密通訊和量子密碼學。使用量子糾纏的方法讓我們不只可以加密通訊管道，還可以確保雷射裝置與測量儀器的安全。（見愛因斯坦將感到雙倍不可思議）

所謂量子晶片就是將量子線路集成在基片上，進而承載量子資訊處理的功能。由於量子糾纏（Quantum entanglement)容易產生，並且對量子退相干（quantum decoherence)很穩健，可作為量子信息的資源。（見矽光子學三十年：個人觀點）借鑑於傳統計算機的發展歷程，如半導體量子晶片在量子退相干間和操控精度上一旦突破容錯量子計算的閾值，有望集成傳統半導體工業的現有成果，大大節省開發量子晶片成本。

所謂量子科技就是如何操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的量子退相干及量子糾纏之行為。當前量子科技主要分為3方面：1）量子計算、2）量子加密通訊、及3）量子雷達，現在分別解析如下：

1）量子計算：
由於量子糾纏容易產生，並且對量子退相干很穩健，可作為量子信息的資源。（見矽光子學三十年：個人觀點）借鑑於傳統計算機的發展歷程，如半導體量子晶片在量子退相干間和操控精度上一旦突破容錯量子計算的閾值，有望集成傳統半導體工業的現有成果，發展量子晶片。
雖然全球的超級電腦由日、美、中三強鼎力（見拙文超級電腦世界爭霸戰的啟示錄─貿易戰（14）），但美國Google在2019/8月宣佈了重大突破，Google的Sycamore量子處理器花3分20秒就完成當前最快速超級電腦要花一萬年完成的運算，而實現量子至尊（quantum supremacy）─即證明可編程量子電腦可以解決一般電腦無法在任何可行時間內解決的問題，領先日、中。而2020年超級電腦冠軍的日本，在研發量子技術的費用僅中美的 1/3，在美中量子電腦的爭霸戰裡，日本已被邊緣化。
（按：根據美國國家科學基金會（NSF）的調查數據，比較 2017 年各國包含民間機構在內的研發費用，美國是以近 5500 億美元奪冠，中國的研發費用也逼近 5000 億美元，日本只有 1700 多億美元。）
儘管Google此次量子計算佔了上風，但有分析指出，中國由十多年前開始投資量子力學研究和人才培養，以各種優惠政策，在美國、歐洲等地挖角，聘請了在當地留學的量子力學科學家。去年中國擁有的量子力學相關專利為492件，是排名第二的美國（248件）的約兩倍。（見突破量子计算机的技术奇点，人工智能或将迎来全新时代）
量子（quantum）是構成物質的最基本單元，早已成為未來人類的核心技術，甚至有人說「支配量子的國家將支配世界」。「量子電腦」所處理的資訊是「量子位元」，而非普通二元的0與1位元（bit）。也就是說，一個量子位元並非二元的，而是可以處於一種所謂的疊加狀態─即一個量子系統的幾個量子狀態的線性組合。 若把量子位元看成是球面上的一點，地球北極代表普通的二位元的”1 bit”，地球南極是”0 bit”，地球表面的其它的地點，則代表可能的疊加狀態。量子電腦之所以具有特殊能力，原因就在於量子位元能夠自由地在整個地球表面上漫遊。
通常在實際的量子電腦裡，量子位元是用局限於某個地方的粒子（如單獨的「原子離子」或「電子」）的某些量子性質來代表，而它們的疊加狀態極為脆弱，會和周遭的電腦外殼之材料交互作用，而破壞量子位元的疊加狀態，於是干擾了量子計算的結果。
因為建造此種干擾少到可接受的量子電腦極為困難，於是科學家另起爐灶，利用的量子狀態的拓撲（topology）性質來做量子計算。拓撲是一門數學，它研究的是，當物體在平滑變形（例如伸長、擠壓、彎曲、但不得切斷或連接起來）之下仍會保持不變的性質。「拓撲」涵蓋的項目之一是「紐結理論」（Knot theory）。
微小平滑變形的擾動，並不會改變物體的拓撲性質。例如，一條弦綁成一個扭結的封閉迴圈，和沒有扭結的封閉迴圈相比，在拓撲上兩者是不同的。將沒有扭結的封閉迴圈變成一個封閉迴圈加上扭結的唯一辦法是切斷弦，綁出扭結，再將弦的兩端封起來。
同樣的，要把一個拓撲的量子位元轉變成另一種狀態，也非得利用類似的激烈方式不可，來自周遭的電腦外殼的材料的一點點推擠干擾是無法改變拓撲的量子位元的。
目前也在微軟從事研究的傅利曼（Michael H. Freedman）於1988年秋天在哈佛大學演講，主題就是利用量子拓撲進行量子計算的可能性。他在1998年發表了一篇研究論文，闡述了他的想法。傅利曼的想法奠基於一項數學發現：某些屬於「結不變量」的數學量，和二維曲面隨著時間而演變的量子物理有關。如果我們可以創造物理系統的某個狀況，同時對它做適當的測量，就可以約略自動計算出「結不變量」，不然我們就得透過傳統電腦執行冗長又不方便的計算。這就是結合數學上拓撲的概念，創造出的新的量子計算方式。
量子電腦可以計算一般電腦無能為力的計算。例如，它能夠在合理的時間之內，將很大的數字分解成其組成因數，就可以破解密碼系統。幾乎所有保護高度敏感資料的密碼系統，都會被某個量子計算所破解。
目前英特爾(Intel)、IBM、微軟(Microsoft)及 Google等世界各大科技公司都在重點開發的下世代的產品─量子電腦。在量子電腦的研發中，完全拋棄半導體控制門閥開關的0與1的數位化，而是用「量子疊加狀態」來處理資訊（稱之為量子資訊），並用量子糾纏實現「平行計算」。
位於加拿大溫哥華附近的D-Wave 系統公司（D-Wave Systems, Inc）是全球最早的量子電腦研發製造公司，去年他們研發的D-Wave II，其處理器含2000多個超導量子位元，計算能力與解決同一問題的傳統超級電腦相比，快了1億倍，但只用來解決單一問題，是一種做優化方法的機器，稱為量子退火機，並不是真正的量子電腦。研發通用的量子電腦首先要克服的難題是克服「量子退相干」（Quantum decoherence）問題。微軟公司10多年前就專注在拓撲的量子電腦的研發上，因為拓撲量子態被認為可能不受量子退相干的影響，但至今單個拓撲的量子位元的成功實驗還沒有實現。
2020/12/4日中國科學技術大學宣布，該校研究團隊與中科院上海微系統所、國家平行電腦工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機「九章」。其速度比去年谷歌發布的53個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。《科學》雜誌評價，「九章」是最先進的實驗及重大成就，但量子優越性實驗不能一蹴而就，最終量子並行性會產生傳統計算機無法企及的算力。（見日媒分析：中美引领量子科技革命！为什么量子科技如此重要？量子霸权时代将来临？）

EE Times歐洲2022/8/11日報導，「“許多大型且資金充足的組織正在努力構建具有數万甚至數百萬量子位元的量子計算機，而今天，最大的計算機擁有大約 100 個量子比特，這些更大的計算機將能夠解決一類新的問題，並實施糾錯以幫助他們克服當今計算機的一些問題。」（見量子計算的現狀和下一步）

中國科學技術大學網站2023/10/11日消息，中國科學技術大學中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統所、大陸國家平行電腦工程技術研究中心合作，成功構建了255個光子的量子計算原型機「九章三號」，再度刷新了光量子資訊的技術水準和量子計算優越性的世界紀錄。求解特定問題，比超算快一萬兆倍。
新華社報導，這項成果再度刷新光量子資訊技術世界紀錄，求解高斯玻色取樣數學問題比目前全球最快的超級電腦快一億億倍，在研製量子電腦之路上邁出重要一步。國際知名學術期刊《物理評論快報》發表該成果。根據公開發表的最優演算法，「九章三號」處理高斯玻色取樣的速度比上一代「九章二號」提升一百萬倍，「九章三號」1微秒可算出的最複雜樣本，當前全球最快的超級電腦「前沿」（Frontier）約需200億年。（見大陸「九章三號」量子計算原型機破世界紀錄：快一萬兆倍）

2）量子加密通訊：
用糾纏光子進行的瞬間轉移實驗，已經通過中國與奧地利之間的7600公里衛星鏈路展示了量子加密通訊的可行性。量子技術的一項早期應用是在蓬勃發展的密碼學領域，即構建數字代碼以確保安全通訊。如果有人截獲加密的量子信號，量子糾纏就會消失，訊息隨之消失。（見歐美科學家分享諾貝爾物理學獎）

中國已擁有多項重大成果，諸如中國建造並交付使用的全球首顆量子科學實驗衛星─墨子號、世界首條量子保密通信幹線─京滬幹線，以及2020/9月，北京清華大學研發推出的量子通信樣機。（見量子通信重大进展！北京成功研制首台量子直接通信样机）

量子網際網路（Quantum Internet）是指在多個通訊節點間，利用量子密鑰分發（QKD，即Quantum Key Distribution）進行安全通訊的網路。各節點間產生的量子密鑰可以對傳統的語音、圖像以及數位多媒體等通訊數據進行加密和解密。於是量子加密通訊線路無法遭掛接竊聽或攔截竊聽，因為只要被竊聽就會讓量子態發生變化，就會被發現而處理，而實現了安全無洩密的通訊。
世界上已有美國、歐洲、中國等多個研究小組和機構致力於量子通訊網的研發。2004年，中國科學技術大學潘建偉教授的科研團隊首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸。2016/8/6日，中國發射全世界首顆量子科學實驗衛星。截至2017年8月，已完成了包括千公里級的量子糾纏分發、星地的高速量子秘鑰分發（QKD），以及地球的量子隱形傳態等預定的科學目標。
2017/9/29世界首條量子保密通訊幹線「京滬幹線」正式開通。當日結合京滬幹線與「墨子號」量子衛星，成功實現人類首次洲際距離且天地鏈路的量子加密通訊。「京滬幹線」接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000餘公里，全線路密鑰率大於20千位元/秒可同時供上萬用戶密鑰分發（QKD）。
2019/6中國科大潘建偉教授及其同事陳宇翱、徐飛虎等在國際上首次實驗實現全光量子中繼器的原理性驗證，為構建遠距離光纖量子網絡開闢了新途徑。該項工作成功驗證了「全光量子中繼器」的可行性，在原理上使得量子存儲器不再是搭建「量子中繼器」的必要條件，為實用化「量子中繼器」的研究開闢了新途徑。該成果將於國際學術權威期刊《自然·光子學》上在線發表。於是中國在衛星引起的糾纏方面屢創佳績，中國科學家並且在創紀錄的745英里（約1198公里）內實現了QKD（量子密鑰分發）。

但有媒體如愛因斯坦當年懷疑量子糾纏報導：「美國内部評估100%確定量子通信是騙人的勾當，錢和人應該投入其他有真正意義的科研方向」（見量子通信和計算是中國學術管理的頭號誤區）

3）量子雷達：
量子雷達是2008年美國麻省理工學院的塞斯·勞埃德教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2012年美國羅賈斯特大學光學研究所的研究團隊聲稱研發出一種抗干擾的量子雷達理論，這種雷達利用光子碰觸到目標後產生的量子態變換來偵測目標物，可以表徵量子「漲落變化」等微觀資訊，所以整個量子雷達靈敏度極高，雜訊基底極低，又幾乎不可能被電波干擾，再加上能忽略工作頻段、雜波等，此種雷達探測第5代隱形戰機的範圍理論上可達數十倍。 （見一文讀懂量子雷達）

2016/8中國「電科1」的「智慧感知技術重點實驗室」發布成功研製單光子檢測量子雷達系統獲得了百公里級探測威力（見陸製單光子量子雷達探測達100公里　高靈敏追蹤「隱身戰機剋星」），探測靈敏度極大提高，指標均達到預期效果，並且可以發現現役的第5代隱形戰機。（詳細，請看拙文美中第5代隱形戰機製造的爭霸錄─美中經濟（28））

結論：
量子科技就是如何操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的量子退相干及量子糾纏之行為。主要分為3方面：1）量子計算、2）量子加密通訊、及3）量子雷達。Google於2019/8月實現「量子至尊」，但同年中國量子力學相關專利為美國的兩倍。中國的「墨子號」量子衛星領先美國，中國的「量子雷達」已能成功的偵測第5代隱形戰機。

視頻：《透視新科技》 量子計算機 20200613 | CCTV科教

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