採訪 ‧ 撰稿 / 趙揚光 (科學推展中心執行編輯)
我們生長在科技蓬勃發展的時代，臺灣更自詡為「科技島」，任何新技術的誕生與應用值得我們進一步深究。近年量子科技風潮席捲全球，臺灣也在2022年宣佈成立「量子國家隊」，迄今已有將近2年的時間，眾多分項領域累積了不少研發成果。其中，「多功能量子通訊網路」一直在資訊傳遞及其資訊安全研究上有著亮眼的表現，近期則完成了跨縣市的長距離通訊測試。計畫總主持人、清大物理系的褚志崧教授，對於團隊的研究發現與展望侃侃而談，彷彿令人看到了未來精彩的無限可能。
走進光源下，揭示量子通訊完美的安全性
褚教授憶起步入量子通訊研究的契機，最早是受到同為物理系教授的父親影響，很早就開始接觸物理，尤其是那些有趣的物理實驗。此外，他在擔任博士後研究員時，也受有「中國量子之父」之稱的潘建偉博士啟發，因而逐漸引領他進行量子物理領域的研究。
過程中曾一度迷惘、猶豫是否進入業界工作的褚教授，回到臺灣時，量子科技研發才剛起步，不過相關的原子、分子、光電等研究已有一定的基礎，為量子資訊創造了一個很好的研究環境。加上褚教授妻子在物理理論方面給予的協助，使他的研究架構得以於穩固的理論基礎上前進。另一方面，位於清大的「前瞻量子科技研究中心」成立，在與許多教授的合作下，褚教授帶領團對先著墨的量子光源研究，短時間內便有了具體成果。
除了光源方面的研究，褚教授同時關注額外的量子特性；量子通訊便是後來才開始投注心力的。褚教授形容，量子通訊有著「完美的安全性」，而且是「沒有保存期限的安全！」他進一步指出，一般資訊傳遞的過程著重安全性，但皆是「有條件性」的安全保護，如使用已久的「RSA加密演算法」。量子通訊中，負責進行長距離傳輸的載子為單光子，是光的最小能量量子，單光子擁有無法被「複製」的量子性質，因而在通訊過程裡無法被完美、完整地複製一次性密碼，達到絕對的安全。褚教授的研究團隊近年來持續發展適合都會區使用的量子通訊網路，量子通訊網路能擁有數個節點、並行使用量子與傳統通訊。除此之外，團隊也發展有助提升量子通訊性能的技術，如單光子光源、糾纏光子光源、量子記憶體和單光子偵測器。
如心電感應般的量子糾纏，是維護資安新關鍵
正如前面所提，過去保護線上資料的RSA加密演算法，多仰賴數學因數分解的複雜性進行加密，考驗的是對極大整數進行質因數分解。隨著電腦的運算能力不斷躍進，破解RSA加密演算法的時間大為縮短；尤其是量子電腦問世後，更需尋找無法被量子電腦破解的方法。量子通訊的資訊加密並非使用數學，而是以量子力學來運作及傳輸。
量子傳輸並不透過實質物體傳遞到另一方，乃是透過「量子糾纏」。褚教授表示，量子糾纏「類似心電感應」，即在給定兩個處於量子糾纏的粒子，對其中一個粒子做測量時，另一個粒子便似乎能知道測量動作的發生與結果，儘管兩個粒子相距甚遠，卻能達到傳遞資訊、而不被輕易竊取的效果。「這是一般古典物理所看不出來的！」褚教授這麼強調。
積極測試與研發新技術，未來應用更廣泛
由於物聯網迅速發展，長期的通訊安全性需求與日俱增，量子通訊使用糾纏光子和量子記憶體技術執行兩方都安全的量子密鑰分發，將利於都會區內長距離的絕對安全加密通訊，且連結各地區的量子電腦。2019年，研究團隊首次進行了戶外點對點的量子通訊實驗。2023年初則是進展為區域型實驗，以多個使用者共同參與的方式做網路型通訊測試；這次實驗克服了通話速度的問題，首次讓量子通訊達到人們生活中經常發生的通話品質。2023年底在「量子國家隊」的牽線下，得到中華電信和中華電信研究院的協助，以商用光纖而更進一步實現距離約10公里的跨縣市量子通訊。
然而，一旦距離再拉得更長，光纖網路有其極限，加上現階段運用量子糾纏的技術品質未臻成熟，量子通訊仍會有困難。褚教授以中國與歐盟曾合作執行長達2000公里量子通訊的案例來分析，藉由衛星連結地面通訊節點，即可有效解決量子通訊的距離問題。若配合團隊所發展的其他先進技術，如能敏感偵測微弱光源的單光子偵測器，可望發展為更完整的量子網際網路。
在國科會的經費支持以及量子國家隊的資源整合、挹注下，量子通訊的研究團隊得以更有效地運作。褚教授指出，量子國家隊的角色加強了研究成果發表的能見度，並促進與國際間的各類交流，同時更與產業加深連結。他認為量子通訊技術適合應用於需要保護重要機密資料的產業、領域，如需時常更新資訊密碼以確實管制機密、必要時又能跨區傳遞重要情資的國防軍事單位，以及擁有龐大客戶金流等敏感資訊的銀行、證券業；未來亦可運用在投票上，以防止可能的舞弊行為。
量子國家隊開拓道路，盼量子通訊網路不斷進化
不過褚教授也感嘆，目前的量子研發成果一直與國內產業難有進一步的深化合作，技術還未有機會轉移出去。鄰近的韓國已有產業投入，將量子通訊放入晶片，反觀臺灣，如促成跨縣市通訊測試的中華電信，尚無專業的技術對接團隊，只能提供短時間、專案式的協助，他分析「這可能跟國內產業還沒有太大的外需市場需求有關。」另一方面，即使學校透過紮實的研究訓練，培育出的人才在畢業後也對應不到產業的現況，形成專業斷層，繼而致使國內人才流失，褚教授強調這些研究應該要走出實驗室。因此，他希望能提供給學界、甚至大眾進行量子通訊相關研究的推廣教學，而這樣的教育必須長期經營，達成連貫性。褚教授期待「讓大家都能去思考這些研究成果可以應用在哪裡，而不單是由教授來想。」
想要把量子通訊的戶外實體測試距離拉得更長，仍是褚教授未來所企盼的目標之一，他也不免提到將量子糾纏更全面地引入量子通訊中。當然，對於量子糾纏方面的技術，是需要再努力提升的。計畫研究團隊也規劃持續透過衛星技術測試通訊，甚至已在設計符合太空傳輸規格的量子光源。褚教授期許未來數年內，與量子相關的技術，如偵測器等，能完全由國內自行研發，並且真正經由產官學研界的密切合作，達到「有意義的量子通訊！」我們相信，量子國家隊讓臺灣領先全球的那道光，正更加閃耀著。
