量子技術是利用量子力學原理所發展出來一系列的技術，主要是利用量子力學的特性，如「量子糾纏」、「量子疊加」等現象。在20世紀時，對於量子技術主要著墨在原理的探索與實證研究。
在量子技術應用範疇上，主要有量子退火（Quantum Annealing；屬於Ishing Model，透過演算法進行求解）、量子運算（使用量子邏輯閘）、通訊、感測等技術應用範疇與優勢。其中量子退火與量子運算技術在演算機制上的強大威力，讓人類看到未來驅動AI與其他數理模擬高速運算的無窮可能性。而量子通訊則可以協助強化現行加密通訊遭入侵與破解的棘手問題。量子感測則進一步協助人類在醫療、科學研究領域，強化更為精確的數據擷取機制，讓科學研究的成果能持續推升。
本文將探討全球具代表性的量子技術大廠最新進展，如IBM、Google、Lockheed Martin……企業，投入量子運算及其他相關技術應用領域的研發與未來發展。
應用範疇一：量子運算
量子運算有何技術優勢？目前市場上慣用的傳統電腦，所使用的演算法為二進位制，量子電腦存儲資料的計算方式為是Qubit。Qubit比傳統電腦更強大，原因來自兩個重要的量子特性：量子疊加態（Superposition）及量子糾纏（Entanglement）。傳統最適化問題的組合情況龐大且複雜，量子運算在解決「組合最適化問題」展現強大潛力，可提升機器學習的效能，因此被寄予厚望。
量子運算可擴展AI的應用範圍和演算深度，可以更高精度進行矩陣對角化和模式匹配，有助於從大量數據和複雜可能性中，快速篩選出最佳解決方案。目前量子運算的應用領域包含如下：
- 金融
量子運算透過強大運算力，協助金融業於精準定價、風險管理、防詐欺技術及最佳化投資組合分析等領域，有助於促進未來金融服務模式革新，強化風控能力，並為投資決策提供更好的分析工具。
- 醫療
量子運算可加速未來的AI模型，協助科學家在龐大複雜的數據庫中尋找更好的治療線索。特別是在藥物設計與分子篩選過程中，可大幅縮短研發時間，對製藥業將有極大的貢獻。
- 化學材料
利用量子力學的特性，來模擬和設計新型材料，可以更準確地預測化學反應和材料性質，例如分子結構、電子行為、以及材料的熱力學和光學特性，有助於加速新材料的開發，並設計出具有特定功能的材料。
- 車聯網
透過量子運算，在車聯網領域可以優化行車路線，根據地理位置進行準確的需求預測，提升車隊、物流及供應鏈管理效率。在自動駕駛中，可協助提高感測器和車輛系統的運作性能，在遇到道路障礙時立即做出決策，並透過量子加密技術加強資安防護，防止駭客入侵車輛系統。
- 國防
利用量子運算及演算法，軍方可以提升模擬演算的機能，強化軍事武器完全自動化的機能，同時進行軍事部署模擬，利用這些模擬來演練軍事部署、可能的戰略和其他情況，以制定更好的戰略。
量子運算關鍵技術進展及指標企業的發展策略
對於量子運算技術而言，其目標在於如何脫離實驗室的階段，進一步達到商用化。現行具備原型機種的量子運算技術，主要以超導體、光量子、離子阱、矽自旋等技術，在研發上有較為明確的進展，各類型技術特點與待解問題如表1所示。
盤點當前代表性投入大廠的發展策略與技術布局，從研發投入的時程以及受關注程度，「超導體」與「離子阱」是目前兩大類最受矚目的商用化技術，以下我們就此兩種技術投入的重要廠商，以及其技術應用進行探討。
表1、各類型量子運算技術特點與待解問題
超導體技術代表性企業：IBM、Google
依據2020年IBM所公佈的量子發展路線圖，2022年下半年推出433Qubit的IBM Osprey處理器，其硬體特色是以超導體為基礎；2023年起利用Qiskit Runtime軟體平台和在雲端運行的工作流程，打造無障礙的量子開發體驗。IBM將在2025年推出超過4,000 Qubit系統。包括發展晶片級短程耦合器，這些耦合器將晶片緊密地連接起來，形成更大的單一處理器，滿足模組化量子運算對於可擴展性的關鍵需求。
另一家科技巨擘Google的硬體發展也相當快速。2023年Google發表全新70Qubit的Sycamore量子電腦，採用隨機電路採樣的複雜測試方法，經由隨機生成的量子過程來提高計算速度，並降低外部干擾，其結果顯示Sycamore量子電腦可以在幾秒鐘內完成傳統超級電腦需要47年才能完成的任務，展現「量子霸權」（Quantum Supremacy）優勢。目前Google已經藉由第三代Sycamore量子處理器，降低量子位元錯誤率在萬分之一到千分之一範圍內。Google表示目前距離理想的量子運算模型仍然遙遠，若以先前規劃發展藍圖來看，至少要等到2030年才會在量子運算領域有更完整應用發展。
離子阱技術代表性企業：IonQ
IonQ是一家以Ion Trap技術為核心的量子電腦開發公司，該公司透過近期發展的蒸發玻璃阱（Evaporated Glass Trap）技術，在業界首次實現可重組多核量子架構（Reconfigurable Multicore Quantum Architecture, RMQA）。其優點是可以塑造陷阱以避開量子運作，使運算結果更加穩定。透過這項RMQA技術，IonQ可以動態控制不同離子鏈，並使他們和鄰近的其他離子鏈結合，組成更大的運算單元，提高運算能力。
應用範疇二：量子通訊
量子通訊利用量子力學的疊加態與量子糾纏，將資訊編碼進單一粒子（如光子）中。而量子密碼學（Quantum Cryptography）則是指利用量子力學特性來加密的科學。量子密碼學最著名的例子是量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD）。其優勢在於，涵蓋古典密碼學上的數學難題加上某些量子力學的特性，形成難以破解的加密機制。
透過難以竊聽的加密機制，量子通訊可應用於金融交易、政府與軍事通訊等需要高度資安保障的通訊場域。以下是量子通訊應用範疇：
- 金融交易
以量子密鑰分發QKD為主量子通訊技術，已成功應用於敏感金融交易的安全傳輸，並可透過專屬網路部署。這項技術預計在未來幾年內具備商業化條件，但大規模滲透應用仍需時間。
- 政府與國防通訊
透過難以破解的QKD解決方案，可用於軍事通訊、衛星通訊和機密資料傳輸，有效防止密鑰傳輸過程遭竊聽，降低駭客或其他攻擊者取得機密資訊的風險，以確保國家安全。
量子通訊關鍵技術進展及指標企業的發展策略
- 加密通訊技術：量子密鑰分發（QKD）
量子密鑰分發（QKD），目前在QKD的通訊協議上，有以下的通訊協定：
- BB84協定：最早的量子密鑰分發（QKD）協定，透過光子偏振態進行量子態準備與測量來分發密鑰。
- 糾纏型協定：如Ekert協定，運用量子糾纏特性並透過Bell不等式等測試機制，確保密鑰分發的安全性。
- 長距離通訊技術：量子中繼器（Quantum repeater）
量子中繼器(Quantum repeater)，量子中繼器透過「糾纏交換」技術延伸量子通訊距離，並符合不可複製定理。由於光子在光纖中會逐漸被吸收，限制糾纏態的傳輸距離，量子中繼器可有效減少訊號損耗、延長通訊範圍。
量子通訊代表性企業：Quantum Xchange
這家公司來自美國，深耕QKD的量子安全通訊解決方案，目標是鎖定B2B企業市場。Quantum Xchange目前透過其產品Phio引領量子通訊發展，Quantum Xchange建立美國首條商業化量子加密網路，並以Phio系統提供服務，主要是發展可證明安全性的長距離傳輸QKD解決方案。其關鍵技術是利用Quantum Xchange的受信節點技術，將QKD系統的工作距離延伸至100公里以上，實現長距離的安全密鑰分發。
應用範疇三：量子感測
量子感測的原理在於利用量子糾纏、疊加態等量子力學原理，從單一原子層級擷取極為微弱的物理訊號進行量測，而非像傳統物理那樣從大量原子平均化的行為中取得資訊，因此可以實現超高精度、靈敏度和穩定性的測量。其主要技術優勢包括：「提升感測精度」、「實現非接觸式測量」、「在適當設計條件下可抑制非目標雜訊干擾」、「協助測量裝置的小型化」。
量子感測應用範疇包含：
- 影像感測
利用光子或原子的特性來產生高解析度影像，廣泛應用於醫學影像、材料分析與監控系統。
- 重力偵測
重力儀（Gravimeters）用來測量重力場，主要應用於地球物理與導航用途，例如地下結構探測、檢測微小地殼運動來支援地震預警系統、或無GPS環境下的定位。
- 化學感測器
利用量子態例如光子、離子或中性原子，與化學物質互動，進而偵測其性質的變化。這類感測器運用量子糾纏與干涉等技術，可用來偵測特定化學物質，應用於環境監測、醫療診斷與食品檢測。
- 磁力偵測
磁力計（Magnetometers）透過原子或離子的特性來測量磁場，應用於地質探勘、氣候和環境研究、醫學診斷與材料科學等領域。
量子感測關鍵技術進展及指標企業的發展策略
- 醫學領域
醫學影像方面，未來的量子MRI將依賴電磁場的「量子糾纏」現象來生成比傳統MRI更高解析度的影像。「量子幽靈成像（Quantum Ghost Imaging）」使用成對的「糾纏光子」，當成對光子被偵測到後，就可以重建出影像。
- 防災與國土安全
超導量子干涉儀（Superconducting QUantum Interference Device, SQUID）利用超導體的量子干涉效應，來測量極微弱磁場。在地質探勘上，地底石油與礦物的探勘偵測正在試驗中，軍事上有增強反潛機探測潛艇的能力，但還在理論階段。
- 航太領域
冷原子干涉儀（Cold atom Interferometry）可用於量測作用在衛星上的非重力加速度。NASA的冷原子實驗室（Cold Atom Lab, CAL）自2018年起即將冷原子干涉儀部署於國際太空站。
量子感測代表性企業之一：Lockheed Martin
主要以國防應用優先，專注於量子重力感測器和磁場感測器，應用於軍事領域，如潛艇探測、隱形目標識別和無GPS導航。目前主要是和美國國防部和NASA合作，開發具備量子功能的慣性導航系統（Quantum-enabled Inertial Navigation System, QuINS）原型。
量子感測代表性企業之二：Q-CTRL
Q-CTRL聚焦於量子控制軟體和硬體解決方案，透過優化量子系統的穩定性和性能，強化量子感測器的實用性。這家公司技術主要針對國防、航太和導航領域，開發高精度量子感測器，並支援無GPS導航和環境監測。其中該公司所開發BOULDER OPAL平台，可用於改善量子感測器的噪音抑制和訊號處理，提升感測精度。
結語
量子技術目前正嘗試從實驗室走向商業化，全球主要國家與企業均加碼投資，目標在量子運算、通訊與感測領域搶占先機。重要應用包括化學模擬、量子加密通訊、AI模型優化與高精度感測等等，將翻轉醫療、金融、國防、化學、運輸等產業。
IBM、Google等國際大廠，在近幾年的技術研發與應用有顯著進展。另外先進國家也透過國家型計畫，來協助衍生新創公司成立。這些公司透過長期在基礎理論的研究，提前進行研發以掌握系統規格，並與上下游共同連結發展應用產品，形成極大的產業優勢。
臺灣目前在量子運算技術發展主要還是以學研單位如中研院、大學等研究單位主導，缺乏主導整體系統規格能力。未來我們除了師法先進國家的發展軌跡之外，也可以透過國際合作來補強臺灣在量子運算基礎研究與參與國際標準制訂的機會，以切入關鍵零組件供應體系，讓臺灣可以與全球一流國家的企業與研究單位共同前進，成為全球量子技術價值鏈的重要成員。
