科技发展与算力习习相关，从古时候的算盘到现代的电脑，都是希望藉此跳脱人力、脑力限制的工贝。而近年来，基於人工智慧技术的快速进展，市场对於算力的需求也大幅成长。对此，鸿海研究院离子阱实验室主任林俊达在AI Expo 2023首日论坛表示，量子计算将是下一世代算力的愿景，而半导体也将扮演重要角色。
20年前的我们，绝对无法想像大数据与人工智慧带来的改变，以及在化学、药物、金融、能源等领域的应用，这些都是算力高度发展所产生的巨大影响。然而，随着AI技术的演进，下一代的算力是否有能力提供支援？
基於矽工艺的传统电脑效能一直以来遵循着摩尔定律的预测。然而，在元件愈做愈小且愈来愈精细的要求下，已碰触到物质世界的极限—原子，而面临难以突破的瓶颈。林俊达表示，面对越来越巨量的运算需求，势必要将量子科技纳入下一代算力的考量中，因为量子计算已经证明在某些重要的科学问题上会产生指数加速的效能，可处理的计算量可望量变带来质变，使得未来的科技发展将不再是线性的。鸿海从2020年就积极投入研发量子电脑软硬体，并在2021年12月成立离子阱实验室，也是台湾产业第一座量子电脑研发实验室，目标是五年後推出开源可编程的离子阱量子电脑原型。
离子阱技术效能可望超过超导位元
为了实现量子电脑，需要多个离子排成阵列，并将每个离子作为一个基本运算单元—量子位元，而离子阱则是一种抓住离子的技术。打造量子电脑的技术重点在於量子位元的设计与位元间的操控，目前世界各国投入的重点系统包括超导位元、量子点、光子或离子阱等，例如IBM和Google是使用超导位元做为量子电脑的核心。
比较目前领先的超导位元与离子阱两者技术，林俊达说明，前者的制程相容於半导体工艺，量子位元数量多且操作速度快，因此相当受到业界青睐。而离子位元的优点则在於天生的「一致性」，资讯储存时间长，且逻辑保真度高，具有最完备的位元连结性，且能够移动重组排列，近两年的效能已经领先超导位元。
量子运算的效能如何衡量？IBM的科学家们提出「量子体积」做为计算度量，用来描述一部量子电脑可解决的问题复杂度，其中包括能够支配的逻辑量子位元数、可以做多少层运算。有趣的是，虽然这个方法由IBM提出，但离子阱的效能在2021年之後就超越IBM且持续领先。这样的结果并不难理解，因为就可达成的计算深度，意即在量子资讯能有效维持的时限内可以完成的逻辑操作次数，离子系统是超导系统的1000至1万倍。同时，离子阵列连结性、保真度高达99.99％都体现了离子系统的优势。
自制刀锋型离子阱核心系统
离子阱实验的系统架构包括超高真空系统，以及用来照射、操控离子的稳频雷射系统，另外则是透过影像系统和光学元件收集原子发出的萤光之後，再透过光侦测系统导入精密的电脑控制系统进行分析与处理来获得运算结果。
目前，实验室已成功研发并制作出第一代单区刀锋型离子阱核心，并在2022年鸿海科技日公开展出，而下一阶段的多区型及晶片型离子阱仍在设计中。刀锋型离子阱核心使用六片式电极施加交流的强电场来束缚离子，对於离子所在的空间位置提供较好的包覆性以隔绝外界干扰。
而实验室最终的目标是将离子阱做於晶圆上，因此，虽然半导体材质作为量子位元的特性受限，但作为赋能科技切入将更为全面，这也让半导体在未来的量子科技中不会缺席。
在量子运算领域发展新技术，必须跨领域寻求合适的专业组织和研究团队进行合作。目前实验室和鸿海集团C事业群合作，透过鸿海制造的实力，已经能做出比肩国外水准的刀锋型离子阱。同时，也和中台科技大学林志郎教授合作，藉由微米级3D列印技术开发3D列印离子阱，以缩短设计与测试时程，可望在未来达成可扩充性。期望透这些技术合作开发，为量子社群带给新的启发。
技术绝非一蹴可几 投资不宜过热也不须却步
从全球对於量子科技的投资趋势中，可以发现投资者对於量子的期待值已经过了最高点，并开始往下降。林俊达认为，随着社会对於技术的了解，过热的期待会慢慢修正，从学者角度来看，希望这个过程是一个缓步而稳定的攀升，不要过热也不要却步。
虽然距离量子计算技术的成熟仍然许多待努力之处，林俊达坦言，「我们也担心外界有超过现实的想像，」实际上，这是产业典范转型的学习与重要实验，技术绝非一蹴可几，需要反覆试错、累积经验。硬体制造也极为艰难，更需要很多技术一起到位才能完成。
至於什麽时候量子运算可以胜过古典运算？林俊达认为，首先必须要发展出有效的量子演算法；再者，待解问题的复杂度，以及所需位元数要成指数增加，因为如果不是这样困难的问题，其实古典运算仍是够用的；而量子位元数量必须达到一定数目，才能看得到量子计算胜过古典运算；且量子逻辑运算需具有一定的保真度，以及测量复杂度不随位元数成指数增加。
他表示，虽然不敢说量子计算是未来算力唯一的解答，却是目前唯一的路，而量子科技也需要跨领域的发展，包括人才、系统、材料、制程、软硬体等不同技术间的整合。