「假如有一天,每一個人的口袋都有一個量子電腦,我想TSMC(台積電)一定不會缺席。」台積電董事長劉德音在9月的國際半導體展中表示。

量子電腦是什麼,為何台積電現在要提它?

9月18日,IBM宣布將在10月推出具有53量子位元(qubit)的量子電腦,提供外部商用;英國《金融時報》接著爆料,Google的量子電腦已達到「量子霸權(Quantum Supremacy)」,意思是,它的運算能力已經超越現今地球上算力最強的超級電腦。

改寫人類科技史的時刻,要來到了嗎?

我們先理解量子電腦有多霸。從一般常用的筆電、到世界上運算最快的IBM超級電腦,皆以傳統運算的基本位元(bit)組成,每一個位元可以是0或1;但,量子電腦的基本單位是量子位元,它的物理特性可以讓0和1同時存在。也就是說,一個量子位元能一次帶出無窮多的0與1的組合狀態,加入越多的量子位元,電腦的算力就會以指數型成長。

以迷宮來比喻,有一隻老鼠,每走一段路就會碰到一個岔路,走了三次岔路後,會有八個出口,在其中一個出口放一塊起司蛋糕,老鼠唯一能吃到蛋糕的方式,就是一條一條路去試,這是目前電腦的運作方式;當老鼠好不容易吃到了蛋糕,此時突然有一隻貓從入口進來,牠每走到岔路就分身,同步在每一條路搜尋所有可能,很快就抓到老鼠,這,就是量子電腦。

可模擬製藥、破解密碼
連交通分析都能輕易做到

Google那台傳出達到量子霸權的「貓」,據稱能用200秒的時間,解決一個傳統電腦必須花上1萬年才能運算完的問題。量子軟體新創公司Riverlane創辦人布萊爾利(Steve Brierley)告訴英國《金融時報》,「史上首次有人展示量子電腦表現得比傳統電腦更好。」

量子電腦又有什麼厲害之處?它可以用於模擬,例如模擬化學元素結合的形式,加速製藥時間;可以用在解密,短時間破解傳統電腦可能花上千萬年才能解出來的密碼。

「最困難的問題就是大數據的問題,超級電腦是算不出來的,」台灣大學IBM量子電腦中心主任張慶瑞說,像北京、東京等大城市的交通分析,量子電腦可輕易辦到;更別說是用它來計算最佳化投資組合。

目前,美、中兩國都把它當作國家發展戰略。《華盛頓郵報》指出,去年中國在量子科技申請的專利,幾乎是美國的兩倍;麥肯錫統計,2015年全球量子研究總投入約新台幣580億元,美國占其中約139億元,中國占85億元。台灣的科技部則到去年才宣布,每年投入7000萬元。

但它仍有許多技術層面要克服。比如,現階段量子電腦裡的粒子,必須在接近絕對零度(攝氏零下273.15度)的環境下才能控制、運作,故尚難普及。

在半導體產業超過四十年的聯電前董事長胡國強直言,量子電腦短期內不會有代工商機,等到有一天,量子位元能夠在室溫下運作,它才有機會進入家庭、人手一機。

他說,外界有一個迷思:台灣半導體技術領先全球,因此量子電腦也能趕上。「(但)IBM、Google的量子電腦晶片都不是在台灣生產的,在美國川普總統積極想把生產帶回美國的氛圍下,值得台灣業者及早未雨綢繆、尋找對策。」

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半導體強,不等於量子強
台灣應盡速投入硬體開發

胡國強指出,量子電腦並不是傳統電腦的升級版,因此,當它的時代來臨,最立即的衝擊會是對如廣達、鴻海等提供雲端運算服務的公司。當未來IBM、Google的雲端資料中心同時有兩種電腦,傳統電腦無法計算的問題,就直接丟給量子電腦運算,若台灣沒有量子電腦,「那(台灣公司)拿到的商機不就少了嗎?」

此外,像台積電仍照摩爾定律(每18個月,製程技術的進步讓每電晶體所占平面面積縮小一半),從7奈米、5奈米、3奈米製程繼續往下走,但業界近年熱中討論,摩爾定律走到底時,台積電怎麼辦?

「你只有三個方向走,」張慶瑞指出,一是換新材料,二是找新應用,三是找新物理。量子電腦就是一種新物理的可能,「機會和衝擊都有,」胡國強坦言,「當摩爾定律走不動,計算能力不能提升的時候,人們就會求助於量子電腦,這時候就會衝擊半導體產業。」

但茂德科技獨立董事、台灣大學物理系訪問學者林育中認為,在做量子位元運算時,還是需要很多周邊的傳統半導體線路,「這個台灣的優勢恐怕就比較不容易被取代。」

胡國強提醒,量子產業的潛力會是另一個半導體產業,未來會水平分工化,台灣應盡快發展量子技術的基本研究、培植相關工程師,以自製量子電腦的硬體為目標。不跟上,「就只能做為使用者了。」