當半導體的摩爾定律走到盡頭，量子運算可提供另一個革命性突破以持續推動人工智慧與未來其他行產業的發展，並可能重塑幾乎所有領域的創新與競爭，包含密碼學、化學、工業製造、金融與物流產業。量子運算的規模比傳統電腦小，但其運算能力卻相當強大，雖仍處於起步階段，不過發展相當迅速。量子電腦目前不會取代電腦，但可解決世界上最強大的超級電腦也無法處理的複雜運算。本文整理McKinsey與Hinrich Foundatio論述量子運算的應用與量子運算產業的生態發展。

一、    量子運算應用

(一)適合量子運算的計算方式
1.量子模擬(Quantum Simulation)
2.人工智慧與機器學習的量子線性代數(Quantum Linear Algebra)
3.量子最佳化(Quantum Optimization)
4.量子因式分解(Quantum Factorization)
各種計算方式有適用的領域，如量子模擬適用於模擬分子與化學反應，或是利用量子因式分解破解RSA加密(被廣泛使用的非對稱加密演算法)，如圖一。

(二)優先運用量子運算的產業
目前為止，量子霸權僅限於解決非常複雜的數學問題，將量子運算用於現實應用將需要數千個量子位元，故量子運算仍需要多年發展才能達到應用階段，估計量子運算將優先應用於下列產業：

1.金融服務：金融機構近年來一直對量子運算的應用非常感興趣，其潛在用途包括最佳化投資組合、高頻交易演算法(high frequency trading algorithms)、詐騙偵測與網路安全系統中的「量子證明(quantum-proofing) 」等等。
2.製藥、化學與醫療健康產業：COVID-19大流行期間，為利用強大的人工智慧與演算法以對COVID-19不同的變種病毒DNA進行定序，傳統電腦運算能力發展呈倍數成長，在不到一年的時間，就已利用全球公開資料所蒐集的大數據，開發出一系列的疫苗。因此，在癌症與其他疾病的藥物設計上，若能利用每秒可處理數十億次計算的量子運算，模擬化學組合、專業應用與其可能的外溢效益是非常驚人的。
3.貿易、物流與運輸：先進的人工智慧技術與即時資料分析等應用已是物流與運輸產業的核心競爭力。量子運算能力以指數成長，並因此增加人工智慧的運算能力，其應用內容除找到兩點間最快路線或配對乘客與司機外，亦可應用於計算最有效的物流配送、最安全與最節省時間的路線規劃。

二、量子運算生態系發展

量子運算領域在美國與歐洲最為活躍，也擁有最多利基參與者(niche players)，Quantum Daily(專注報導量子科技的媒體)資料顯示，美國公司在運算領域獨占鰲頭。基於量子運算對高度專業化的軟硬體與服務需求，大型企業與科技新創將在未來量子霸權競賽中發揮重要的功能。美國與歐盟皆可善用其完善的金融市場、頂尖大學、研究機構與軍事安全情報機構，並建立公私戰略合作夥伴關係。此外，美國與歐洲推動開放原始碼標準、開放銀行與增加服務貿易等措施，將為開發量子運用與商業化帶來許多發展優勢。

(一)專利分析
專利方面，中國所申請的量子技術專利數量為全球之最，各國量子專利占比如圖二。中國顯然在量子技術的關鍵領域取得了創新的先機，尤其是在量子通訊與密碼學軟體等方面；美國則在運算硬體與軟體專利方面拔得頭籌；日本則在通訊與密碼學硬體的專利處於領先地位。

(二)量子運算生態系
參與量子運算發展的廠商約有213間，其生態系大致可分為零組件製造商、硬體製造、系統軟體、應用軟體與服務等。其中，參與零組件製造之廠商數量最多，超過100間，而以硬體製造所獲得的投資金額最多，如圖三。若以國家來看，美國、加拿大與英國參與的企業數最多，以政府機構與學術團體參與數量來看，美國仍是參與數量最多的國家，如圖四。不過以商業化進展來看，目前量子運算的核心(軟硬體)尚未有商業化產品，現有收益主要來自於零組件製造與諮詢服務。

1.零組件製造商：此領域的廠商因銷售量子運算零組件予大學、研究機構與科技公司，故為目前量子運算產業鏈中，唯一有高額收益的領域，參與廠商相當廣泛，從來自量子技術領域到一般製造商(如電子)，各項產品的成熟度，則因零件而異，不過幾乎所有零件皆需要為量子運算的廠商進行客製化生產。
2.硬體製造：技術的複雜度高，使得進入硬體領域的風險相當高且需要長期開發，參與的廠商須具備高額資金與專業知識，此領域目前由科技大廠主導，多數廠商進入時間至少10年以上，著重於超導體量子位元(superconducting qubits)技術。
近年來，數個離子阱(ion traps)與光子量子的新創企業募集到大量資金並逐漸擴張，若以企業宣告來看，超導體量子位元發展速度最快，不過部分專家則認為光學量子技術更為超前。
3.系統軟體：系統軟體廠商提供量子運算的邏輯程式語言，以及編譯程式與錯誤偵測的軟體，部分廠商則提供量子硬體的控制專用軟體。系統軟體市場可分為提供整套式軟體系統的廠商，其提供該硬體專屬的程式語言，而特定的軟體系統廠商則提供與硬體無關(hardware-agnostic)的解決方案。
目前領導廠商的解決方案僅處於原形(prototype)，多數為開放式原始碼，現有的解決方案適合小規模量子硬體，大規模的量子容錯電腦(fault-tolerant quantum computer)則需要更多投入。
4.應用軟體：過去幾年，此領域的廠商大幅增加，雖然廠商數量最多，但是應用軟體方面尚未成熟，幾個大型硬體與系統軟體廠商提供整套解決方案，多著重於金融、化學與藥品，而新創團隊則著重於提供特定解決方案。目前市面上尚未有現成的商品可供直接取用，多數的商業模式仍處於與產業合作的探索性研究計畫。
5.服務：可分為諮詢服務與雲端服務
(1)雲端服務：參與廠商提供一般大眾與進階運算取用硬體資源的管道，如教育或是實驗用途，雲端廠商又分為單純提供第三方硬體管道，或是提供整合管道與硬體服務兩種，當雲端硬體成熟後，此類服務需求將大幅提升。
(2)諮詢服務：提供諮詢服務、與研究計畫合作，是量子運算硬體與軟體廠商的主要收入來源，此外亦有提供量子運算教育與影音的專業諮詢廠商。
 

(三)量子電腦製造主要參與者

目前打造量子電腦主要材料包含超導體、離子阱、光子、中性原子、矽與其他，相關參與企業名單如圖五。

三、結論

我國於2019年宣布5年投入80億新臺幣於量子科技，並積極串聯政府部會、產業界與學術界共同投入量子領域研發，行政院科技會報辦公室已於今年3月宣布量子國家隊正式成軍，並審核選出17個產學研團隊，聚焦於量子電腦硬體、光量子技術，以及量子軟體技術與應用開發。
量子運算不僅對產業與地緣政治造成深遠影響，特別是在化學、金融、物流、工業製造、製藥和材料科學方面的應用，將使企業擁有決定性優勢，亦可能顛覆密碼學，進而影響網路安全、資料隱私和保密。不過，量子運算市場發展仍有相當高的不確定，主因來自於量子運算硬體開發的技術挑戰，端對端量子解決方案之資訊有限，以及解決方案對商業影響力之資訊不透明。