採訪 / 許至雅 (科學推展中心執行編輯)、朱富國 (科學推展中心特約編輯)
撰稿 / 朱富國 (科學推展中心特約編輯)
審訂 / 量子科技雲端計算中心
前言
想像一下：假設一位外送員手上有25個包裹要送到不同的地址，究竟要如何規劃，才能找到距離最短的路線？這個看起來並不複雜的物流問題，在數學上被稱為「旅行推銷員問題」，可能的路線排列組合高達1.55×1025種。如果採用「逐一比對」方式交給古典超級電腦排查，需要耗費近5萬年時間才能找到最佳解。此外，無論是破解數位金融加密防禦（RSA演算法）中動輒數百位數的超大數字，或是生醫領域從無數種化合物中模擬篩選新藥的研發過程，對於古典超級電腦而言，都是幾乎無法攀越的算力高牆。
然而，當量子電腦運算技術日漸成熟之後，運用「疊加態」與「量子糾纏」等物理特性，終於為解開傳統電腦「跑不動」、甚至窮盡歲月都無法解答的各種課題，帶來革命性的曙光。例如，原本動輒耗費數年的新藥物或新材料研發工作，在量子運算技術出現後，可望大幅縮短至幾個月時間；過去只停留在理論推導的物理理論，也得以透過量子電腦進行模擬驗證；而RSA加密演算法，甚至是物流管理、智慧交通等領域苦苦尋求最低成本與最近距離的「路線最佳化」問題，都可能在幾分鐘內就迎刃而解。
對於台灣絕大多數的研究者來說，感覺上「量子電腦」仍然是遙不可及的昂貴設備。但其實運用量子電腦做研究，並不需要自己擁有一台量子電腦，也不用害怕深奧的量子力學，量子科技雲端計算中心計畫主持人陳岳男笑道：要跨過這個前沿領域的門檻，其實比大家想像的要簡單得多。
資源經驗共享，量子運算高貴不貴
目前國際量子電腦硬體發展，尚處於百花齊放、無單一標準的階段，超導體、離子阱、中性原子三大陣營各有不同的擁護者，其中超導體陣營代表業者為IBM、Google、Rigetti；離子阱以IonQ、Quantinuum為代表；QuEra、Pasqal則專注於中性原子技術。亞馬遜Amazon Braket（AWS）與Microsoft Azure Quantum平台，更是各自串接了不同廠牌的量子電腦硬體，提供多樣化的雲端量子計算服務。
對於單一研究團隊而言，如果要個別與每一家硬體供應商溝通、洽談合約、處理計費，光是這些行政程序就讓人退避三舍。因此，國科會與成功大學於2021年合作成立「量子科技雲端計算中心」，透過國家級的統一窗口，引進全球最先進、最多樣的量子硬體。所有執行國科會計畫的計畫主持人（具助理教授/助理研究員以上身份者），以及其學生與約聘僱人員，加上與中心簽約的非商業合作夥伴（如中研院、工研院、國網中心等研究人員），都能以研究團隊為單位提出使用申請，不分校系與領域皆可申請使用中心資源。
這種單一窗口模式在國際並不多見，陳岳男觀察到日、韓等國研究者，多半是運用各自的計畫經費來向個別硬體供應商申請使用。「量子科技雲端計算中心」的成立，能讓全台研究學者專注於研究，免去行政與採購的繁瑣事務，對於積累台灣在量子軟體、演算法與硬體上的實力，具有相當深遠的影響力。
陳岳男形容，量子科技雲端計算中心就像是「量子電腦的共同儀器中心」，目前中心與Amazon、Microsoft簽約，取得不同供應商量子電腦的使用權，再透過審查核給額度的方式，分配給國內的研究團隊，同時提供教育訓練與技術諮詢。使用者不必自行購買設備，無需個別與廠商洽談合約，只要按照指引撰寫Python、編寫量子電路，就能運用瀏覽器將計算任務上傳至國外的量子電腦，運算成果回收步驟也十分簡易。
有人可能要問：既然量子電腦這麼重要，為什麼台灣不是自己多購買幾台，反而選擇了雲端服務的模式？陳岳男指出，研究者如果想用超級電腦進行研究，並不用自己買一台巨大的超級電腦放在家裡，透過雲端就可以使用超級電腦的運算資源，量子電腦也是相同的概念，建置「成本」同樣都是最重要的考量之一。
以造價動輒上億元的超導量子電腦為例，不僅需要超高真空、接近絕對零度的低溫冰箱與精密微波控制系統，還得配備專業維護團隊，這還不包括每隔一兩年就會面臨的硬體迭代問題，幾乎沒有任何實驗室可以獨力負擔高昂的建置與維護成本。其次，目前量子硬體猶如處於「戰國時代」，沒有任何一台量子電腦能夠滿足所有問題。透過雲端平台提供多樣化的技術路徑，研究者可以因應研究問題性質挑選最適合的硬體架構。
快速養成實戰力，避開「燒錢」陷阱
為了讓更多研究者有機會使用中心資源，中心設計了兩種不同使用額度的申請方案：第一級的「一般型」方案每次核給額度為新台幣兩萬元，適合想要嘗試量子雲端計算、教學使用或小規模驗證想法的研究者，只要填寫基本表單即可申請；第二級「研究型」方案每次上限三十萬元，申請時需要檢附研究計畫書，適合已經有明確題目、需要長期投入的研究。兩者核給額度使用完畢後，就需要重新申請。
原則上，每一年度會分為四個申請梯次，中心將邀請六至七位相關領域教授組成委員會審查所有申請案。通過審核並確認核給額度後，研究團隊再透過第三方支付公司「伊雲谷」完成帳號綁定與額度加值，就能透過自己的Amazon Braket或Microsoft Azure Quantum帳戶開始使用，整體流程大約需要兩週作業時間。
中心目前串聯了 Amazon與 Microsoft 兩大平台，其下又包含了QuEra、IonQ、Rigetti、IQM等多樣化的硬體。歷年申請統計數據顯示，Amazon平台中的IonQ與Rigetti架構最受到使用者青睞，陳岳男解釋：「Rigetti是超導量子位元架構，技術相對成熟，也可以降低使用成本。IonQ是離子阱量子電腦，好處就是Fidelity（精準度）較高。」因此，研究者首先可根據研究預算與實驗精度需求，彈性選擇適合的硬體架構。
負責中心第一線技術輔導與支援任務的黃亦得博士說明，中心在使用者申請階段就會提供諮詢協助，通常會依據使用者編寫的量子電路類型（數位式或類比式）、量子電路深度以及所需量子位元數多寡這三項主要指標，協助研究者選擇最適合自身研究的硬體架構。
黃亦得觀察，研究者在申請與使用過程中，最容易「卡關」的地方有兩處。首先是「花費」：量子雲端計算服務並非「吃到飽」，費用是根據shot（執行次數）和電路數進行換算，「所以中心一直『三申五令』，希望使用者先仔細估算，同時使用模擬器先跑過。」陳岳男叮嚀，如果沒有經過仔細評估和模擬，新手很容易一次跑太多，把額度一下子就燒光了。
「演算法設計」則是另一個使用者經常卡關的環節：「大家都知道量子電腦很強，卻不知道怎麼樣把自己領域的問題，映射成量子電路，這往往也是最花時間的一步。」黃亦得表示，針對這兩個痛點，以及未曾接觸過量子計算的研究者，中心會提供範例與技術諮詢，「研究者可以先用自己的筆電進行測試，再把自己領域的問題，濃縮成4到10個量子位元的『玩具模型』，在模擬器上跑跑看。等玩具模型跑得順了，再考慮增加位元數、把問題變複雜，最後才把任務送上真正的裝置。」
如果擔心自己的物理或程式背景不夠，中心也提供多重支援，使用者不僅可以隨時聯絡中心提供諮詢，中心也會安排具有實際使用經驗的博士生、碩士生協助解惑。2026年1月9日，中心便首度舉辦跨平台「使用者分享會」，邀請Amazon Braket、Microsoft Azure Quantum、台大IBM Quantum、數位退火四種平台近六十位使用者進行交流；未來分享會也可望成為每年固定舉辦的大型活動，將有助降低研究者跨入這個量子計算領域的門檻。
實驗新利器，化不可能為可能
量子科技雲端計算中心成立至今，已經走過五個年度，分析歷年申請案件數字，會發現補助額度與平台數皆有所調升，「研究型」與「一般型」申請單位數量差距也正逐漸加大。陳岳男認為：「這代表大家已經比較熟悉這個平台的使用方式，一般型的使用者會逐漸變少，顯示量子計算技術的摸索期已經過去，大部分使用者開始把它當成做研究、產出論文的常態研究工具。」
量子科技雲端計算中心歷年補助申請統計（單位：申請使用單位家數）
資料來源：量子科技雲端計算中心。
此外，中心今年已核給超過六百八十萬元使用額度，歷年則服務超過十七所大專院校與研究機構。若從科系分布來看，物理系約占四成、比重最高，但資工、電子，甚至中研院的生醫學者，都已經開始採用量子運算技術，應用領域也變得更加多元。
例如，化學、材料與生醫領域可運用量子電腦計算分子基態能量或模擬反應路徑。如此一來，原本需要大規模試驗試錯、可能耗時數年的傳統製藥與材料研發流程，在量子電腦的幫助下，可以先在無數種可能分子結構中，算出幾種可能有效的組合，再進實驗室進行驗證，從而大幅縮短新藥與新材料開發時程。
資工、電子與金融領域則可處理機器學習與組合最佳化問題：「例如幫外送員規劃最省油的路線，或是企業員工如何排班才最有效率。」黃亦得舉出一個更貼近生活的例子：「像哪一站停的YouBike快滿了、哪一站快空了、某一站要取走多少輛車、某一站又要補充多少輛車、還有最短車輛運送路徑等等，這些其實都是組合最佳化問題，計算這些問題正是量子電腦的強項。」
歷年來中心提供的算力資源，已陸續協助研究團隊在國際期刊發表多篇論文，主題橫跨基礎物理理論驗證與應用探索。其中，黃亦得印象最為深刻的研究成果，是〈利用後選擇封閉類時曲線解碼置亂的量子資訊〉一文：「我們提出了一個解碼協定，這個協定牽涉到『後選擇的封閉類時曲線』，也就是某種形式上的時光旅行模擬。過去這件事情只存在於理論論文裡，而我們則是透過雲端的離子阱量子電腦將它實現。」
「以往要驗證這類物理理論，通常需要採購昂貴的儀器來進行實驗。現在，研究者可以把雲端量子電腦當成實驗儀器，直接驗證想法。」陳岳男補充。
運用量子科技雲端計算中心算力資源完成之精選論文列表
資料來源：量子科技雲端計算中心。
布局容錯運算，搶占領先優勢
放眼全球，量子硬體廠商如Quantinuum、QuEra都不斷推出更強大的機器，陳岳男預估除了藥物與材料設計的模擬將被大幅加速，以及大型最佳化問題會出現新解法之外，資訊安全與AI領域也將受到直接衝擊。「例如，當量子電腦已經有能力破解現行的RSA加密演算法時，我們就必須設計一套連量子電腦都無法破解的新型編碼，『後量子密碼學』的研發也將變得愈來愈迫切。」黃亦得分析。
只是，目前主流的量子電腦，仍處於「中等規模雜訊量子」（NISQ）時代：量子位元數落在數十到數百之間，雜訊偏高，能做的計算規模有限。陳岳男強調，中心密切關注的下一步突破是「容錯量子計算」，也就是透過即時的錯誤修正，讓大規模、低錯誤率的量子運算成為可能。
陳岳男透露，微軟Azure Quantum目前最新的機器為56個量子位元，據悉98量子位元的機型已經有論文發表。更令人期待的是Amazon Braket已於今年6月宣布擴大與QuEra Computing的合作，預計於2028年在Amazon Braket雲端平台上架採用中性原子技術、擁有3,000個量子位元的容錯量子電腦「Libra」，能在數百個邏輯量子位元上執行高達百萬次的量子操作，屆時量子計算將正式走出實驗室，在量子化學、高能物理與材料模擬等關鍵領域迎來實質應用。
面對全球硬體大廠的技術爆發，陳岳男認為中心的單一窗口模式展現了極大的彈性優勢。一旦國際大廠的新硬體上線，中心就會第一時間與平台簽約對接，讓台灣研究團隊能夠「搶快」：在第一時間將別人還沒動手做的前沿物理問題送上最新平台測試運算，搶占全球學術研究的領先地位。未來中心除了將持續與Amazon、Microsoft續約，也會依國內研究社群的需求，評估納入其他新興的雲端量子平台。
陳岳男提醒，目前台灣已經從「聽說過」量子電腦，走到「動手用量子電腦做研究」的階段，但離「規模化應用」還有一段距離：「在演算法設計與硬體驗證上，我們的量能已經相當成熟，接下來的挑戰，是把應用推進到真正的產業問題。」
最後，陳岳男熱切地邀請全台研究社群加入量子運算的行列。在他看來，想要跨越古典算力的高牆，其實比想像中更簡單：「你不需要有一台量子電腦，你只需要一個問題和一份申請書，開始申請使用就對了！」
量子科技雲端計算中心：https://qcloud.phys.ncku.edu.tw/
