量子資訊科技的近況、挑戰、與展望-工程技術

鄭皓中博士為量子資訊前沿之科學家與工程師，現為國立臺灣大學電機工程學系暨電信工程學研究所助理教授。

鄭博士於臺大電信所與澳洲雪梨理工大學軟體學院 ... 跳到主要內容區塊 生命科學 人文社會 工程技術 自然科學 電子報 量子資訊科技的近況、挑戰、與展望 :::首頁/工程技術/量子資訊科技的近況、挑戰、與展望 作者鄭皓中 簡介鄭皓中博士為量子資訊前沿之科學家與工程師，現為國立臺灣大學電機工程學系暨電信工程學研究所助理教授。

鄭博士於臺大電信所與澳洲雪梨理工大學軟體學院量子軟體與資訊中心取得雙聯博士學位。

其後擔任劍橋大學應用數學暨理論物理學系博士後研究員，並徵選為達爾文學院博士後研究員。

鄭博士取得科技部年輕學者養成計畫與教育部玉山青年學者。

鄭博士之研究興趣為量子資訊處理、量子通訊、量子機器學習、統計信號處理、矩陣分析等。

單位國立臺灣大學 標籤 量子電腦 量子計算 量子通訊 量子卓越性 分享文章 基於國際授權條款4.0，您可免費分享此篇文章 工程技術 圖文 2021年12月11日 　　由於近年來量子資訊科學的顯著進步，全球諸多實驗室與大型企業已打造出基於不同材料元件之小規模可程式化的量子電腦原型機，宣示人類或將進入量子資訊科技世代的歷史轉捩點。

各大工業化國家與科技巨擘紛紛投入龐大資金與研發量能，欲在全球量子軍備競賽中奪得科技領導地位。

同時諸多新興創業公司與資源亦注入量子科技研發，旨在加速量子資訊科技的產業化與商用化。

然而此科技尚無法立即改變人類日常生活，乃因產學界仍面臨著硬體層面－如何建造多位元數與高保真度之可程式化量子處理器；以及軟體層面－如何運用量子資訊的潛力以設計能展現卓越性且具備效能保證之量子資訊科技此兩項巨大挑戰。

　　鄭皓中教授與其團隊的學術研究聚焦於後者軟體層面的量子資訊處理系統效能分析問題。

藉由量子資訊處理技術提出嶄新的分析技術以研究如何從量子系統中擷取出有效資訊，和處理、編碼、與傳輸量子態以達成特定目的。

此學術研究之重要性在於其可應用於理論分析與評估未來量子資訊系統之系統效能，並進一步探討如何運用中等量級之量子處理器研發次世代高效率之量子資訊科技系統協定。

 　　有別於一九三零、四零年代量子力學著重於基礎科學方面的探索，一九七零年代後期興起之量子資訊科學（QuantumInformationScience）以量子力學的框架來重新描述位元（Bit）等資訊科學中的基礎概念，並運用量子閘（QuantumGates）對於量子位元（QuantumBit）進行邏輯運算與操作，衍生出一系列相關新興學科領域諸如量子計算、量子通訊、量子密碼學、量子模擬、量子感測、與量子機器學習等，為次世代前瞻資訊科技譜寫新的可能性。

　　量子資訊系統相較於古典數位系統具有獨特之疊加性（Superposition）與糾纏效應（QuantumEntanglement），於諸多資訊工程領域中已展現潛在之量子卓越性。

例如藉由量測0與1之平均量子疊加態，理論上便能產生「真實」之平均隨機亂數（QuantumRandomNumberGenerator），較現行之偽隨機數產生器（PseudoRandomNumberGenerator）具有更高之亂度與加密應用性。

電腦運算為當今日常生活乃至於資訊產業之科技核心，依據量子平行原理（QuantumParallelism）所設計之量子演算法於特定計算問題例如無序搜尋、質因數分解與解線性方程組等，相較於現今已發展之古典演算法具有更低之計算複雜度，其應用包含計量金融、機器學習等一系列人工智慧運算服務。

具備多量子位元之量子電腦可用於模擬多參數系統，其潛在應用為找尋生物、化學領域中更節省成本之多分子反應，如固氮過程與新藥發掘等。

量子通訊藉由量子糾纏輔助以增加傳統通訊之信道容量（ChannelCapacity）以及實踐保密性通訊。

量子位元傳輸技術可用以傳輸密鑰並達成資訊理論層級之安全性，為量子密碼學的核心協定之一。

綜上所述，量子資訊科技已於特定領域展現諸多願景與優勢，因而當今全球資訊與計算機理論學者的首要目標為探索更多能彰顯量子卓越性之場域與相關應用科技。

　　然而，量子資訊科技並無法立即改變人類文明生活，乃因此領域尚面臨硬體、軟體兩層面的巨大挑戰。

從硬體面而言，實踐可程式化量子處理器（Gate-basedProgrammableQuantumProcessorUnit）之硬體裝置有基於超導體、矽基、量子光學、離子井等物理技術，而目前最先進之超導量子處理器僅含一百以內之實體量子位元（PhysicalQubits），尚不足以解決目前超級電腦所解不了之質因數分解問題－Shor的演算法需將近兩千邏輯量子位元（LogicalQubits）來執行。

此外量子演算法大多要求高保真度之量子位元，因此平均一個邏輯量子位元需要數百至一千個實體量子位元以錯誤更正碼進行保護與糾錯；換言之，科學家需打造擁有一百萬實體量子位元之處理器才得以實踐普遍性量子計算並且真正展現其卓越性。

從軟體面而言，量子資訊科學邁向量子資訊科技的過程需經模組化、系統化、協定化、標準化等程序，量子演算法與量子協定開發者需根據系統環境之雜訊狀況（例如量子閘保真度或量子信道雜訊）給出效能分析與保證（PerformanceAnalysisandGuarantee）；據此對量子系統做出適當之調控與配置。

然而量子資訊系統由於其複雜之架構與量子力學中之不可交換性，造成理論分析層面的嚴峻困難，加上現有古典資訊系統的分析技術難以沿用，因此軟體開發者與理論學家須研究嶄新的系統分析技術以設計次世代量子資訊系統。

簡言之，發展量子資訊科技乃十年大計，需要跨領域專家學者如數學家、物理學家、資訊學者、電機工程學者等一同合作克服當前挑戰。

　　鄭皓中教授與其團隊的學術研究著重於上述的後者難題－量子資訊系統之設計與理論效能分析。

此研究的核心思想為探索其基本問題：執行一項量子資訊處理系統或協定時需要多少資源與需要多大量級的量子系統才能達到所需求的效能準確度，並探究系統規模與系統效率之間的取捨關係。

鄭教授研究包含下列幾項量子資訊處理系統基石協定：(1)量子通道與量子網路中的資訊傳輸錯誤率分析，以及傳輸效率、與通道編碼之間的權衡關係。

(2)量子資訊輔助資料壓縮之錯誤率、壓縮效率、與編碼分析。

(3)提出量子態與特定量子電路之學習演算法，並求得取樣複雜度的上界保證。

此些研究成果將有助於設計次世代量子資訊處理協定中的系統調控準則，鄭教授未來也將應用所提出之分析技術於探討與研發更多之量子資訊處理系統。

　　儘管全球近年來於量子處理器的硬體實踐與軟體分析已有相當程度的進展，臺灣的量子資訊科技仍然處於萌芽階段，急需擴大相關研發人才。

面臨當前的量子科技軍備競賽，產、官、學、研互相合作，群策群力，克服硬體與軟體層面的多重難題，才得以讓臺灣的量子資訊科技產業真正開花結果。

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