量子科技與 AI、IoT 並列成為引爆人類第四次工業革命的三大科技，未來量子科技即將改變人類生活，量子科技應用前途各國翹首盼望，先進國家莫不將它列為關鍵的國家發展策略。為了接軌國際研究水準，「成大前沿量子科技研究中心」受到國科會計畫支持，選擇使用 Amazon Web Services (AWS) 的量子雲端服務 Amazon Braket作為主要運算平台，並持續強化從量子理論、材料到量子元件及電腦的整合研究。
因應未來科技布局量子研究，成大QFort中心深耕量子理論、元件、材料
國立成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心陳岳男教授表示，成大早在 20 年前左右便開始投入量子科技的研究工作，並於 2003 年 11 月成立「量子資訊科學研究中心」，開始招募更多量子相關領域的研究新血，累積更充沛的研究能量。如今，前沿量子科技研究中心成員各擅專長，主要聚焦在「量子理論」、「量子元件與電腦」及「量子材料」三大領域。
對於新興量子科技的長期研究來說，跨領域的國際合作非常重要。成大物理系量子團隊不但與日本理化學研究所保持合作關係，並推動台美超導量子位元與台歐量子通訊等合作計畫，整合資源發揮各自所長，提升研究結果的質與量。
量子運算及資通訊應用必須建立在紮實的量子理論基礎上，成大團隊一直特別關注在能區分量子電腦與古典電腦差異的「量子關聯性」，其他研究重點還包括開放量子系統及量子基礎研究。在量子元件領域上，成大團隊已開發出世界上第一個全電性全半導自旋電晶體，為量子電子學開創新型態的干涉器或設計原理。在量子材料方面的主要研究重點包括單程石墨烯二維材料、拓撲材料、複合氧化物及凡德瓦材料，這方面的研究成果斐然，不但首先提出第一個拓樸半金屬的理論預測，並首次實現無閘極之單原子層二極體。
Amazon Braket量子雲端服務，自建量子電腦外的新選擇
現階段實現量子運算的硬體架構十分多元，目前市場上的主流是超導電路（Superconducting Circuits）和離子阱（Ion Trap）技術，其他還包括量子點（Quantum Dot）、光子（Photon）、拓樸量子位元（Topological Qubit）等。目前台灣的研發重點主要在超導電路和光子量子位元上，陳岳男教授經實測表示，離子阱量子位元在降噪、量子關聯性驗證及簡單演算法運行等各方面的表現極為優異。
然而，台灣在量子位元的研發上硬體方面尚無穩定實體量子電腦，因此透過雲端量子服務進行相關量子科技的研發與驗證會是逐步積累實力的最佳可行途徑。透過 Amazon Braket 量子雲端服務，台灣學者完全無須受限於特定量子運算硬體架構便能展開研究，也避免因此延遲了既有的研發腳步，甚至喪失迎頭趕上全球量子發展趨勢的先機。有了成熟的量子理論及基礎研究成果，也能為未來量子硬體的推出與微調奠立厚實基礎，在 Amazon Braket 服務與自身軟硬體研發的相輔相成之下，勢必能再造台灣的量子奇蹟。
Amazon Braket 同時集結支援不同量子運算技術的量子硬體供應商，包括採用超導電路技術的 Rigetti 及牛津量子電路（OQC）、支援離子阱技術的 IonQ、採用中性原子（Neutral-Atom）技術的 QuEra，以及支援光子技術的 Xanadu 等公司。陳岳男教授表示，由於成大擁有自身獨特的量子理論，希望能透過不同的量子運算技術去進行交叉驗證與比對， Amazon Brake支援多種量子運算硬體架構，僅需少量程式碼修改，即可在不同架構中進行比較驗證。
國科會補助計畫，Amazon Braket 成為大專院校學研單位量子實驗平台
今年國科會宣布編列 349 億元，建立八大領域前瞻科技平台，其中一項領域即半導體與量子科技。在國科會強而有力的經費支持下，成大前沿量子科技研究中心於 2021 年 8 月開放第一階段 Amazon Braket 的使用申請，凡具大專院校與研究機助理教授/助理研究員以上身分者皆可申請。整個補助計畫現已歷經兩年，並完成第八階段的開放申請，接下來會再持續 3 年。
目前成大量子中心會使用 Amazon Braket 來進行諸如量子電池及量子熱機等理論的測試驗證，由於 Amazon Braket 是以實際使用時間計費，所以使用者可以先使用 AWS 免費的模擬器進行原型開發或事先找出並解決語法或環境的可能問題。
陳岳男教授表示，該團隊把 Amazon Braket 當作一個可驗證各種量子理論的實驗平台，Amazon Braket 的最大好處就是支援不同技術架構，目前成大團隊主要使用 Rigetti 超導及 IonQ 離子阱量子處理器，並且會與原先一直在使用的其他量子雲端服務商進行交叉比對。
IonQ 的離子阱技術大受成大團隊好評，尤其是 IonQ 最新一代 Aria 的計算能力比前一代 Harmony 大幅高出許多。5 月 17 日 Amazon Braket 才剛發布 Aria，成大團隊便成為第一批使用者。經實測，由於 Aria 電腦雜訊比上一代大幅減少，所以在降噪穩定度的表現更勝一籌。成大團隊早已發表台灣學界第一個使用 Amazon Braket 進行量子研究的論文，如今關於 IonQ Aria 的最新論文也已投稿。
AWS將各種服務整合至單一平台，提供全球量子資源與社群計畫
根據 Yole Développement 的估計，2035 年整體量子科技市場規模將達 40 億美元[1]，面對如此充滿希望與前景的市場，AWS 持續擴充量子資源。
AWS 持續不斷與更多量子電腦供應商合作，未來會有更多的量子運算技術上架，以提供使用者更多元的量子服務選擇，包括將運算、資料儲存（例如Amazon S3雲端儲存服務）、機器學習（例如 Amazon SageMaker）、帳號管理及計費等各種 AWS 服務整合成為一個具備統一存取介面的單一平台。此外，為了滿足客戶快速建置量子軟體，Amazon Braket 不但有專屬的軟體開發套件（SDK），也提供依照目前使用量進行費用預估的計算器，以符合使用者預算。
AWS 對於量子研發的經費予補助不遺餘力，於美國加州特別成立量子解決方案實驗室（Quantum Solution Lab），專門協助研究機構關於研究方向的指導、合作或經費補助；社群研究計劃方面則是創立一個名為 AWS Cloud Credit for Research Program 的研究計畫以及 Amazon Science 社群，量子前端研究學者可透過前者申請補助並取得相關資源，後者則集結了許多第三方研究機構與學者提供關於研究計畫、補助及合作方面的資源與訊息。
新興科技人才向下扎根，培育新血加入量子科學研究領域
為了推廣量子科普教育，並為入門的基礎量子科學扎根，成大QFort中心自2020年起每年都會舉辦高中生量子電腦微課程，如今第四屆活動也剛圓滿落幕。「我們應該讓更多年輕新血進入量子科技領域，所以今後不論軟硬體，重點應放在未來人才的投資及培育上，這一切就從高中生開始！」陳岳男總結道。
（首圖由左至右為國立成功大學理學院物理學系黃亦得博士候選人、國立成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心陳岳男教授、AWS 資深商務拓展經理 Bryan Chu；首圖來源：科技新報）
參考資料：
[1]: https://www.yolegroup.com/product/report/quantum-technologies-2023/
資料來源：科技新報