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全球量子運算的應用概況

林姿伶/ 發布日期:2024/04/09/ 瀏覽次數:1629

一、前言

量子運算展現卓越能力,能夠協助處理人工智慧、區塊鏈、網路安全等多項新興技術面臨的挑戰,加速機器學習演算法,協助縮短任務完成時間,成功解決現有技術難以應對的極複雜計算問題。依據F&S研究報告顯示,2023年至2030年的全球收益預測如圖一所示。

 

 

二、量子運算市場的主要參與者

隨著量子生態系統擴張、全球量子設備與系統普及,量子供應商正積極評估在各個產業和領域中使用量子運算的可能性,表現出對量子運算的極大關注。依據Frost & Sullivan研究報告顯示,24%的企業目前正處於初步探索階段,尚未確定計畫方向。另有45%的企業正處於早期實驗階段,正在進行基礎性的測試實驗,評估可行性。同時,有19%的企業將初步的概念轉化為實際可行的驗證,驗證其技術或商業價值。最後,12%的企業則將經過驗證的概念轉化為實際應用,建立商業應用(圖二)。下列將說明量子運算市場的主要參與者(圖三)。

 

 

 

(一) 美國IBM公司
在90年代末,IBM開啟探索量子世界的旅程。從2016年開始,IBM的量子系統已實現可以透過雲端外部存取。IBM在量子領域提供完整的方案,包含硬體、中介軟體(Middleware)、演算法、軟體及函式庫(Library)。IBM於2023年推出有1,121個量子位元的量子電腦「Condor」,並計劃透過短程通訊、遠端通訊,擴展至超過10萬個量子位元。現今量子電腦的主要挑戰之一為雜訊校正(Noise Correction),IBM透過開發電路編織(Circuit Knitting)與量子無伺服器技術來應對挑戰,以解決問題。

(二) 美國微軟公司(Microsoft)
微軟致力於研究的拓撲量子位元(Topological Qubits)之量子超級電腦,能夠每秒執行100萬次的穩定量子運算(Reliable Quantum Operations Per Second, rQOPS)1,以解決現有的NISQ運算問題。微軟的拓撲量子位元具有高度可擴展性,量子位元由準粒子(Quasiparticles)構成,並藉由馬約拉納零模(Majorana zero modes, MZM)量子態,開發量子位元。此過程,微軟將量子位元技術從類比轉變為數位技術。此外,微軟結合高效能運算與AI,開發出「Azure Quantum Elements」,其目的在模擬工作流程的最佳化,以加速科學發現。

(三) 美國英特爾公司(Intel)
英特爾於2023年推出使用矽自旋(Silicon Spin)量子位元技術的晶片「Tunnel Falls」,相較其他技術小100萬倍,尺寸為50奈米x50奈米,該公司預計於2024年發布Tunnel Falls下一代矽晶片。同時,英特爾也致力於建構冷凍探測器、量子位元測試設備、全端軟體開發套件(Software Development Kit, SDK),協助研究人員執行混合(經典與量子)演算法,在短期內實現商業級量子電腦所需的數千、數百萬個量子位元。

(四) 美國Zapata Computing公司
Zapata公司致力於量子軟體與演算法的研究,開發出「Orquestra平台」,該平台可以在公有或私有雲上運作,並提供可擴充性,幫助使用者建構量子化的工作流程,然後收集與分析產生的資料。透過Orquestra平台,使用者可以在Python中建立支援量子的工作流程,也能在不同硬體後端上執行工作,還能在任何硬體上使用任何量子語言,並應用專有演算法和開源資料庫,為化學、材料、金融、物流、製藥及汽車等產業創建應用程式,解決運算能力問題。

(五) 英國Riverlane公司
Riverlane公司開發出量子電腦的作業系統「Deltaflow.OS」,以及全球首個量子錯誤解碼器(Quantum Error Decoder)「Deltaflow.Decode」。Deltaflow.OS將程式碼直接寫入控制系統的每個元件,使用現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA),增進可靠度並顯著提升效能,且適用於捕獲離子(Trapped Ions)、超導體(Superconducting)、矽光子學(Silicon Photonic)等多種技術。Deltaflow.Decode將每秒產生大量資料錯誤的不穩定量子位元,轉換為穩定、無錯誤的邏輯量子位元(Logical Qubits),從而實現材料、製藥、能源及航太領域的應用開發。

(六) 美國SEEQC公司
在平面架構的量子系統中,量子位元的讀取與控制設備,常因高功率需求而造成過載,使得量子系統難以實現大規模的運算。SEEQC公司以單通量量子(Single Flux Quantum, SFQ)技術,設計多晶片模組(Multi-Chip Module, MCM)的數位晶片,能夠在低溫下執行所有操作,電路的時脈頻率(Clock Frequency)高達40 GHz,運作時所消耗的功耗較現有系統低3至5個數量級,也降低整體系統的散熱需求。此外,SEEQC公司在2023年開發出量子電腦「SEEQC Red」,使用專有的韌體(Firmware)、軟體套件,以及提供雲端入口網站。

(七) 美國QuEra公司
QuEra公司在2022年第四季推出具256量子位元的中性原子量子系統「Aquila」,以及協助用戶在中性原子量子架構中使用的開源軟體「Bloqade」。相對於半導體的量子系統,Aquila使用的中性原子方法,量子位元為原子,操作更為簡便且更具擴展性。

(八) 美國亞馬遜公司(Amazon)
亞馬遜公司推出量子運算服務平台「Bracket」,協助雲端客戶量子運算的科學研究與軟體開發,該服務平台整合D-Wave、IonQ、Oxford Quantum Circuits、QuEra、Rigetti Computers公司的量子電腦,擴大用戶對量子運算的選擇。此外,亞馬遜公司也正致力於CAT(Cavity Assisted Tomography)位元的量子電腦開發,其具有更強大的性能、更強的抗噪聲性質,以及節能之特性。

(九) 法國Atos公司
Atos公司的子公司Eviden最近推出全方位的量子運算服務「Qaptiva」,為研究人員、科學家提供量子創新研發工作所需的工具與資源,其與IQM、Aspen Systems、OVHCloud、西班牙加利西亞超級計算中心(CESGA)等機構合作,推動量子運算發展。

(十) 法國Pasqal公司
Pasqal公司致力於中性原子量子運算、量子控制系統,以及量子演算法的開發,該公司協助巴斯夫(BASF)、寶馬(BMW)、西門子(Siemens)、空中巴士(Airbus)、嬌生(Johnson & Johnson)及達利斯(Thales)等公司,解決其業務需求。

(十一) 澳洲Q-CTRL公司
Q-CTRL公司開發出先進量子感測軟體「Fire Opal」,其具嵌入式錯誤抑制技術,可最大限度地減少量子系統中的雜訊並減少錯誤,應用範疇包含生物成像、環境監測、導航系統。該公司用戶包含美國政府單位、澳洲國防單位,以及IBM、IonQ、Nord Quantique、Pasqal和AtomComputing等公司。

註1:微軟團隊開發新的量子超級電腦測量方法,稱為每秒穩定量子運算(Reliable Quantum Operations Per Second, rQOPS),主要描述每秒量子電腦執行穩定運算的次數。

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