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清大 褚志崧:未來資安得依賴光子狀態的不可複製性。單光子源和偵測器會是一個商機。



發布日期: 2020-05-19-2021-05-19

光電協進會 林穎毅

  川普政府擬在2021年投資2.37億美元在量子資訊科技,其中能源部即編列了2500萬美元,以加速internet 2.0量子資訊網路的發展。正當這些2021年預算還躺在國會待審查之際,美國企業Google、IBM、Microsoft、Intel、Amazon等公司也正在進行量子霸權的競爭,競相將量子雲計算導入全球,這像是1980年代Mainframe大型主機的營運模式。所以量子電腦並非要取代傳統電腦,而是處理傳統電腦力有未逮的問題。量子資訊科技到底可以處理那些問題呢?

  量子資訊科技主要是利用機率疊加狀態(Superposition)與量子糾纏(Entanglement)等兩項量子力學原理,以實現計算、通訊、感測、模擬等應用。量子力學理論在1930年代已趨近完備,其原子能階的知識催生了1950年代以降雷射、太陽能、半導體等第一波的量子革命。而直到近幾十年量子力學再結合了資訊理論,以及搭配光學、光電、半導體等其他技術的進步,“量子資訊技術”才露出商業化曙光。量子資訊的濫觴乃源於費因曼(Richard Feynman、1918~1988)對於如何計算電子與原子狀態的建議。

  在原子世界裡電子總是處在不確定的狀態,例如狀態A或狀態B各有其機率。少量電子的機率狀態猶可用傳統電腦做模擬計算,但為數眾多的電子機率狀態便呈現指數發散,遠遠超出傳統電腦所能模擬的狀態。費因曼認為既然傳統電腦無法模擬原子世界裡的電子狀態,何不乾脆建構量子電腦來模擬量子系統,如此才最貼近自然狀態。費因曼量子電腦的發想在40年後人類操控原子世界的技術日益精進之下正逐步實現,其平行處理的運算能力便是隨著量子位元數(qubit)而指數增加。

量子電腦是開發疫苗、藥物、材料重要的工具

  量子計算擅長處理大量的組合與機率及路徑問題,例如最佳路徑的選擇、藥物成分的開發。傳統電腦在解決路徑最佳化的問題,是分別逐一嘗試各種可能的路徑,例如電腦鼠走迷宮,而量子電腦則是同時嘗試每種路徑,找出機率最大的路徑。另外在藥物或新材料的開發,量子計算也可以同時嘗試各種不同的組合與分析,提供最佳的解決方案,大量降低開發時程。所以在COVID-19肺炎病毒肆虐全球之際,量子計算應可協助縮短疫苗與解藥的開發時間。量子電腦對於天氣的預測也將會多所助益,未來天氣預測將會越來越準確。

  目前上述藥物與材料的開發、天氣的預測,甚至核融合的模擬等需要大量計算的工作都仰賴超級電腦。所以量子電腦最先應會取代傳統的超級電腦,提供人類各種需要大量計算與搜尋的解答。而AI人工智慧正在影響運輸、醫療、工業、國防等各個層面,其所需要的運算部分也得由量子計算來支援。

量子通訊保障網路及國防安全

  除了量子計算之外,量子資訊科技還有一個重要的發展方向就是量子通訊。量子通訊可提供更好的網路安全,而網路與資訊安全又即是國防安全,所以量子通訊可謂涉及國家安全,其重要程度不可言喻。另外也由於量子計算將會破解現今網路密鑰所採用的質數分解密碼學(RSA加密演算法),使得網路的帳號與密碼形同虛設,所以網路也便得提升至量子通訊網路,以防止量子計算可能會構成的威脅。在量子通訊裡又有量子密鑰配送(QKD),皆利用量子糾纏或量子態測量的崩潰特性來達到防止通訊遭受竊聽的目的。國防與金融是極需要量子通訊的領域。

  清華大學褚志崧副教授便認為:“發展量子通訊不但能提升目前加密通訊的安全性也能因應量子電腦對資安的威脅,雖然這個威脅可能不會很快出現,但必須提前部署以防範未來可能遭受的資安攻擊。”去年褚志崧研究團隊即完成了台灣第一次戶外量子加密通訊測試,將單光子分散在三個脈衝,再賦予脈衝間的二個相位差對應到密鑰位元上的意義。由於單光子的不可複製性,以及其量子態若遭攔截或竊聽便會被察覺,進而能保障量子通訊的保密性。褚志崧副教授闡釋:“未來網路的安全基礎會從現今所依賴的數學複雜性,轉移到物理上光子狀態的不可複製性。這其中,單光子的光源和偵測器會是一個商機。”

量子科技市場成長率超過40%

  光電協進會統計,2020年全球包含量子計算、量子金鑰配送、量子感測等量子資訊之產業總營收將達到5億美元,如下圖所示,其金額可謂不大,但其成長率超過40%。其中量子計算、量子金鑰配送、量子感測在2018至2023這五年期間的複合年成長率將分別有56%、37%、12%。未來的科技的確於此!