科技議題

首頁> 科技議題 - 智慧科技> 各國國家量子策略之比較
各國國家量子策略之比較 Quantum States: A Comparison of National Quantum Strategies
2023/05
Oxford Insights
https://static1.squarespace.com/static/58b2e92c1e5b6c828058484e/t/64956d2f80454d64ef15920a/1687514428771/Final+V1+Quantum+States_+A+comparison+of+National+Quantum+Strategies+%281%29.pdf
一、前言
本文摘錄Oxford Insights研究報告,說明澳大利亞、加拿大、法國、德國、日本、荷蘭和美國等七國在量子技術上的國家戰略。其中,有部分相同的核心主軸,包含:(1)透過資金加速器、技術中心或實驗室來加強產官學三者的聯繫。(2)關注量子運算對加密應用的發展:發展可抵禦量子運算攻擊的加密技術「後量子密碼學(Post-quantum Cryptography)/量子安全密碼學(Quantum Safe Cryptography)」。(3)量子領域人力資源的管理,包含招募、培訓和留住人才方法。(4)重視未來的量子供應鏈。(5)與其他國家共同合作。(6)官方機構或國防單位應該是第一個使用的先驅,帶領整個量子研究的前進,使量子新創企業得以發展及未來的規模化。

二、各國國家量子戰略
(一)美國
(1)戰略摘要:美國是全球第一個將官方機敏資訊交付給「後量子密碼」技術保護的國家,也是全球量子資金的領導國。美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)已資助超過1500個量子計畫,並且培訓超過3000名研究生,自2005年以來,NSF已提供55億美元的資金用於支持量子研究,同時,國防高等研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)也提供將近16億美元的資金。另外,美國能源部贊助5個國家級實驗室,做為產官學的合作橋梁,分別是:由布魯克黑文國家實驗室領導的共同設計量子優勢中心(Co-design Center for Quantum Advantage, C2QA)、由阿貢國家實驗室帶領的Q-NEXT計畫、由奧克儀器國家實驗室運作的量子科學中心(Quantum Science Center, QSC)、由勞倫斯伯克利國家實驗室主持的量子系統加速器(Quantum Systems Accelerator, QSA)、由費曼國家加速器團隊主導的超導量子材料和系統中心(Superconducting Quantum Materials and Systems Center, SQMS)。美國支持各大學設立量子領域永久職的教授職位,以吸引量子技術的初期研究。除高等教育之外,美國更將量子教育的根基延伸自小學到高中階段,厚植量子人才。此外,美國針對涉及國家安全與國防應用的量子技術,有著極其嚴格的出口管制。

(2)資金配置:美國對量子領域的投資布局具有針對性:對國家具有變革性影響,並在經濟和科學問上產生廣泛影響的基礎科學或技術題。投資領域包括量子計算、感測技術、網路應用、加密標準、商業應用和基礎研究。

(3)應用面:美國政府透過支援研發人員使用量子設備、支援生產、透過採購政策支持量子技術的初期成果產品,扶植量子產業的規模擴大。

(4)國家實驗室合作:美國能源部與國家實驗室共同合作開發計畫,再將初步成果推廣到工業界應用,促成實驗室原型轉化為商業化產品。

(5)人力資源管理:鼓勵大學設置量子領域終身職缺。鼓勵跨領域,如工程學與電腦科學的跨入量子的研究計畫。促進人才養成與滿足增長的量子需求。

(6)教育:從小學階段讓孩子們接觸量子技術的課程,對於激發學生的熱情是具有遠見的,這會讓未來更多年輕人在大學階段選擇量子領域作為學習專業,擴大量子人才的參與。

(7)國際合作:美國與澳大利亞、丹麥、芬蘭、瑞典、日本和英國簽署了量子研究的合作協議、與韓國進行合作研討會。國際合作對於加速量子研究進程、促進全球量子科技的發展具有重要意義。

(8)技術出口管制:針對特定量子技術和研究做出分級制度,並且進行出口管制,確保量子技術的安全使用和合理監管,這是對潛在威脅的控管機制,對於維護國家安全和保護關鍵技術至關重要。

(9)其他:在官方發布的戰略報告之外,補充說明了非官方的觀點,包含美國在量子研發的初期階段已取得相當成果,但在擴大量子技術規模化及供應鏈的建立,仍存在資金缺口,需要補足;美國政府擁有量子技術初期階段的智慧財產權,但是在商業化階段面對業界取得知識產權的問題,存在挑戰性;跨領域計畫需要更多專業人才的支持,擴大量子技術的專業人員;美國政府對量子研究有研究類型與國籍限制,因而局限量子技術的全面發展;用於跨國合作設置的專用資金,將有助於研究人員在跨國界分享見解,推動技術發展。

(二)加拿大
(1)戰略摘要:加拿大政府計畫透過量子系統與軟體的採購,支持量子技術最初期的產品。為了保護機密的訊息,加拿大正對衛星的安全系統導入的量子通訊,同時,正努力建立後量子密碼學和量子通訊領域的業界標準。人才方面,加拿大開放量子領域專業作為技術移民的選項,同時,提供具有競爭力的薪酬與工作環境,吸引國際學生與博士後研究員來加拿大學習或工作。也希望提升弱勢族群在量子領域的參與度,並透過加拿大高等研究院(Canadian Institute for Advanced Research, CIFAR)支持國際合作項目,促進科學發展。

(2)基礎理念:2022年加拿大發布國家量子戰略,圍繞三個核心目標:將加拿大建設成量子領域的全球領導者、確保隱私和網路安全、支持政府和關鍵產業成為量子技術的開發者和初期使用者。加拿大戰略包括三個核心支柱:研究、人才和商業化。藉此,政府透過資助多個研究機構和中心,進行重點研究,像是加拿大太空局的衛星配備了量子技術,用於量子密鑰分發。此外,加拿大政府在魁北克、安大略、阿爾伯塔和不列顛哥倫比亞等地區亦成立量子中心。

(3)量子技術初期使用:加拿大政府積極投資於量子電腦、運算、模擬器和軟體的開發、測試和擴展,並明確表明態度,政府將成為這些技術的初期使用者。

(4)安全量子通訊網路:加拿大投入巨額資金於量子網路安全,在衛星通訊與後量子密碼學提出倡議。

(5)管制數位訊息:加拿大政府對於機敏數位資訊正進行嚴格的審查與保護措施。

(6)建立技術標準框架:為了保護量子時代中的數位訊息安全,建立各國的互信。加拿大政府致力於在容易被網路攻擊的弱勢技術中,引入後量子密碼技術,並主導量子業界的技術標準與框架。

(7)技術斷層:為解決量子領域人才短缺問題。加拿大鼓勵學生學習量子科學,並支持現有的研究人員,吸引國際間人才。此外,政府鼓勵大學開設專門的量子科學和技術課程,以滿足需求。

(8)提升弱勢族群參與度:針對女性、原住民青年、身心障礙者和在偏遠地區居民等較少甚至無法涉及量子領域的族群,提供機會促進弱勢族群的參與。

(9)育成中心:加拿大政府透過資金、商業支持、加速器和創新集群,支持量子新創企業發展。如CIFAR的組織,是推動加拿大量子研究國際交流的重要推手。

(三)德國
(1)戰略摘要:德國的國家戰略特別注重量子技術的商業化應用。德國設有卓越中心(Centre of Excellence)進行量子技術研究,類似於美國的國家實驗室,包括量子技術實用化與工程師培訓的企業育成中心。為確保量子供應鏈韌性,德國致力發展元件的歐洲化,包括最重要的「系統關鍵」組件以及所有次要的「系統中立」組件,只有其它周邊元件才從歐盟以外進口;相對於美國,德國認為歐盟的知識產權法相較弱,必須尋求改進以支持新創企業的技術轉移。德國透過舉辦展覽與博覽會的方式,增加量子教育的公眾視野,也為量子人才提供技術移民便捷化政策,以及支持跨領域的量子科學研究。另外,為了支持年輕研究人員,德國成立了Quantum Future Academy,其為一個為大學應屆畢業生舉辦的就業活動,用以支持職涯發展和建立社群。此外,德國量子社群(German Quantum Community)的建立將量子生態從業者聚集在一起,共享資源與交流知識。

(2)跨領域團隊:在德國國家計量研究所的量子技術卓越中心努力下,推動跨領域團隊的建立、量子產業的育成與孵化、與技術轉移,此外,還設有工程師培訓中心進一步培育技術人才。

(3)智慧財產權:德國正在量子人才流失與智慧財產權落後,這兩個問題上努力追趕美國,期盼整個歐盟能與美國競爭。

(4)量子技術重啟刑事調查:在未來量子通訊普及後,開發出即使在強大量子運算下,也能保有訊息安全性的「抗量子密碼(Quantum-resistant Cryptographic)演算法」。德國認為利用這種技術,讓量子電腦能解密數據以重新開啟刑事調查是具有可行性的。如果刑事法定追溯期未過,德國有興趣在涉及數位加密證據的刑案中,重新解密來發現的新證據後重啟調查,為司法調查提供新工具。這是德國量子策略中一個獨特見解。

(5)文化與公眾教育:德國認為,讓量子技術應用在博物館中擁有優先展覽順位,向大眾提供量子技術的實用資訊,有助於讓量子科學走近民眾的日常生活中,促進大眾對量子技術的接受和支持,並形成一種科學文化。

(6)人才斷層:德國吸引國際量子人才的政策,著重於發展中國家的專業技術移民規定。此外,針對年輕科學人才,德國發起物理、工程和資訊學的跨域結合計畫。德國的Quantum Future Academy是幫助大學應屆畢業生投入量子技術領域,為期一週的就業媒合活動。期盼更多年輕人投入量子技術,填補人才缺口。

(7)建立社群:德國建立了幾個「網路能力(Competence Networks)」,這個網路包括基礎設施、量子運算使用者、量子教育組織和其他相關領域社群。德國量子社群是一個靈活性的傘形組織,促進量子生態系統內的協作,並確保各項政策執行於傘狀網路間。此外,科學界與商界專家共組的戰略諮詢委員會,為德國量子戰略的執行提供了監督功能。透過這些措施,德國致力於建立一個結構完善的社群,推動量子領域的合作、交流和發展。

(四)荷蘭
(1)戰略摘要:荷蘭政府在量子三角洲計畫(Quantum Delta NL)中,規劃量子通訊及運算的供應鏈政策,並建設一套量子工具箱,用於探索量子應用案例,並確定量子技術朝向最有價值的領域發展,荷蘭亦為高科技產業工程師提供的量子課程,以補足量子領域的技能差距,亦為在量子產業工作者提供育兒津貼,用以支持從業者投入更多心力於量子技術工作。另外,荷蘭規劃在大學和研究機構增加量子工程師職缺,支持學生實習,在台夫特(Delft)設立了國家量子中心,為研究人員、新創企業和其他企業提供會議、研討會和辦公、住宿的服務,以及計劃將量子教育課程帶入中小學的教材中。此外,荷蘭正在制定量子領域的法律與道德框架,成立官方的諮詢平台,提供量子社群資訊。

(2)量子技術商業化:量子三角洲計畫對於量子通訊和運算的供應鏈進行了完整商業化的規劃。其他的計畫裡,涵蓋了幫助中小企業融資、幫助量子技術導入應用。另外,荷蘭開發了一套量子工具箱,可用於探索量子應用。

(3)量子教育推廣:荷蘭的量子戰略著重教育體系、量子技能差距縮小兩個區塊。開設量子課程及增設相關量子職缺,以提升科技業的量子技能。支持學生進入工業界實習量子技術。提供量子從業人員托兒補助以減輕負擔來投入工作。將量子教育納入中小學教材中,讓學生為量子技術的未來做好準備。

(4)道德框架與使用範疇:為了負責任地使用量子技術,荷蘭成立了全球唯一針對倫理與法律角度探討量子技術的量子與社會中心,該中心致力於建立量子相關的倫理和法律框架。

(5)發展量子社群:荷蘭期盼能建立一個整合國內和國際的量子社群,讓荷蘭能成為國際量子科技的領先者。在荷蘭,透過建立量子協助平台和量子技術中心,提供支持和資源進行量子研發;設立研討會、測試設施的使用,用以支持量子終端用戶和與技術開發者之間的交流,幫助量子技術實用化;建立幫助女性從事量子產業的"女性量子發展"組織,縮小就業的性別差異;建立了國家量子之家,作為一個實體開放場所,提供社群參與者宿舍和會議設施。在國際合作方面,荷蘭與歐盟七個會員國成立歐洲量子網路,並與美國、加拿大和日本等國進行基礎研究的雙邊合作。

(五)法國
(1)戰略摘要:法國的量子戰略聚焦在四大面向包含:(a)法國支持跨領域量子計畫,特別是將物理學、工程學和其他學科結合在一起,來應對量子技術的技能差距。(b)建立一個量子計量(Quantum Metrology)平台,並把國家計量網路的不同測量設施匯聚在一起。(c)建立量子中心,使產官學相關人士在此交流。(d)法國計劃建立量子沙盒,以測試和實驗新技術。

法國的量子戰略於2021年發布。相較於德國或荷蘭,法國更偏重技術導向,如下:(1)有噪聲的中尺度量子(Noisy Intermediate-scale Quantum, NISQ)模擬器(用於模擬中規模、有噪音存在的量子系統)。(2)建立大規模尺度的量子運算(Learned Step-size Quantization, LSQ)。(3)量子感測技術和應用:用於檢測和測量的量子技術。(4)後量子密碼學:量子運算環境下的訊息安全加密方法。(5)量子通訊:用於安全傳輸訊息的量子通訊系統。(6)競爭性的啟用技術:提升量子技術的性能、可靠性和技術適用範圍。

(2)跨領域學程:建立跨領域學程,將物理、工程與其他領域科學結合導入量子技術,不同領域的知識交流將增加量子技術的豐富度,為量子創新應用提供了各種領域的觀點。

(3)交流合作:法國正計劃創設量子中心,提高產業、新創企業與學術界更有效率的交流合作。

(4)量子計量平台:量子計量(Quantum Metrology)平台,可以測量和評估量子系統的性能、參數與特性,並將國家計量網路的不同測量設施匯聚在一起。

(5)量子沙盒:法國最具創意的政策就是發展量子沙盒(Sandboxes),所謂的「沙盒」指的是一個可以進行各種實驗的創意空間,就像孩子在沙堆上玩沙一樣,沙盒提供了一個自由探索和實驗場所,讓研究人員測試新的量子想法和技術。

(六)日本
(1)戰略摘要:日本的量子戰略包含詳細的計畫路線藍圖與如何實踐的進程,如下:(1)日本計劃將量子技術與人工智慧統合為一個戰略。(2)日本量子戰略一個面向將會是醫療保健領域,以解決社會老齡化問題。(3)日本希望本國的量子研究人員能有國際交流的機會,並回饋到日本國內的量子研究中。(4)日本計劃將量子科學納入高中和技術學院課程中。(5)日本官方正在研擬與執行貿易管制,其中包含量子技術在內的先進技術。

日本的國家量子戰略,於2020年發布,技術專注度高。日本的戰略涵蓋了許多具體的技術和不同技術之間的交叉領域,主要技術領域如包含:量子運算、量子模擬、量子測量、量子通訊與感測、量子密碼學、量子技術和材料的物理特性。

除上述主要技術,日本政府還有以下特定的戰略目標,如下:(a)發展國際合作;(b)量子技術的產業創新;(c)量子知識產權的系統改善;(d)量子領域的人力資源管理;(e)量子的醫療保健應用,尤其關注日本的老年人口。

(2)與人工智慧的路線圖整合:日本的戰略除了量子領域,還包括了人工智慧跟生命科學,同時,也把量子網路安全放入重點路線圖中執行。

(3)國際合作:日本希望與美國、歐盟、英國等國家進行量子合作,每年舉辦一場「國際研討會」,促進日本與國內外研究人員和工程師交流、知識共享;同時,也期望國際人才來日本留學與工作,並支持日本本國研究員透過國際交流帶回別國的經驗。

(4)教育:日本在大學內制定專門的量子學程與計畫,建立系統性的學習。同時,與大多數國家一樣,把教育的觸角延伸到高等教育以下的中學階段,用以填補人才的缺口。

(5)技術管制:基於國家安全,日本也對量子技術與先進技術進行貿易管制。

(七)澳洲
(1)戰略摘要:澳洲正進行全國性的量子基礎設施的調查,以確定存在何種缺口,讓政府能夠依據該領域來增加投資,同時,也監控生產供應鏈,快速應對可能出現的問題。澳洲為量子研究人員提供微奈米製造設施、重離子加速器和超級電腦研究中心,以及提出吸引量子人才的政策,已著手進行對量子技術的獎勵措施、技術移民,以鼓勵量子人才遷入澳大利亞。另外,澳洲亦擴大更多的學校與大學開設量子教育學程,並針對女性與原住民等弱勢族裔,提高他們量子就業的參與度。此外,澳洲政府以負責任、包容性兩個原則下使用量子技術。

澳洲國家量子戰略在2023年五月份發布。在七個核心領域中制定了計畫,包含:(a)投資澳洲本土的量子研究和產業;(b)支持量子商業化;(c)為商業化投資提供流程與制度;(d)建設新的量子基礎設施以滿足需求;(e)打造具競爭力的環境讓澳洲成為量子國際人才首選之地;(f)強化澳洲在量子國際合作中的領導地位;(g)倡議負責任的量子創新應用。

(2)推廣量子應用與商業化:澳洲政府訂立新的計畫,並提供激勵措施來推動量子生態系統的發展和支持商業化。

(3)審查官方的量子基礎設施:澳洲進行境內量子基礎設施的普查,來確定投資不足的領域,以利於增加資金與投資。也持續監管量子供應鏈中的挑戰和機遇,以便迅速回應問題。

(4)量子設備使用:澳洲提供研究人員微奈米製造的開放使用;能夠產生離子和束流分析的重離子加速器;Pawsey超級電腦則安裝了一個室溫鑽石基量子加速器(室溫環境沒有冷卻環境的機器噪音問題、鑽石的量子穩定性、鑽石的高散熱性質可避免量子受干擾,使得室溫鑽石基量子加速器是很好的研究工具),讓研究人員可以用來測試混合模型的量子和經典運算。

(5)量子人才缺口問題:為了解決量子領域的人才短缺,澳洲政府正透過有針對性的激勵措施、技術移民和人才吸引等三大計畫,用以吸引國際量子人才。並將量子教育融入更多的學校和大學教育計畫中,擴大澳洲學生的參與。並且提高女性與原住民等少數族體在量子領域的就業機會。

(6)國際合作:澳洲的國家戰略中優先考慮國際合作,除了與美國簽署了聯合聲明。澳洲還與東南亞國家協會ASEAN、其他印太地區國家、英國和歐盟合作,共享量子研究成果。
李暟
英文