一、當量子電腦開始學會「蓋城市」
回想童年，我們都曾玩過樂高積木。單獨看，每塊積木只是普通的小方塊；但透過標準化設計，它們卻能組成飛機、城堡，甚至整座城市。更重要的是，樂高的魅力不只在於創造，而在於「可擴展」：壞掉一塊可以更換，需要更大規模時，只要繼續拼接即可。
如今，全球科技巨頭 IBM，正試圖把這種「積木哲學」帶進量子電腦。
量子電腦的發展，始終卡在同一個問題：量子位元（qubit）太脆弱了。它不像古典電腦的數位位元0與1那樣穩定，反而像一顆極度敏感的肥皂泡，任何微小震動、雜訊、溫度波動，都可能讓泡泡瞬間消失。因此，量子電腦最大的挑戰從來不是「算得快」，而是「不要壞掉」。
過去十多年，量子電腦界一直存在兩條路線：
一條路，是持續製作更大的單一量子晶片；另一條路，則是將量子電腦拆解成可互相連接的小型模組。前者像試圖建造一座「超級巨塔」；後者則更像現代城市──由無數可互連的建築、道路與基礎建設組成。
IBM如今選擇了後者。這個轉變的重要性，不只是工程選擇，而是量子計算開始從「單一實驗裝置」，轉向「可擴展文明基礎建設」的思維。IBM開始把量子電腦拆成許多可以互相拼接的模組，像樂高積木一樣逐步擴張。這種模組化單元，IBM稱之為邏輯處理單元（Logical Processing Unit，LPU）。
IBM在2025年4月宣布投入超過千億美金的資源來整合量子電腦與超級電腦，並將於2029年商業化。這是一場與IBM在1964年開發System 360類似的企圖心，企圖再度領導世界的新科技。美國政府在2026年5月21日宣布投資美國量子股20億美金，而其中10億指定給IBM，也代表美國政府對IBM的支持。IBM也承諾額外投入10億美元，於紐約州奧巴尼（Albany）成立獨立運作的量子晶圓代工新公司「Anderon」。
過去量子電腦更像精密科學實驗；而IBM正試圖把它變成類似現代城市、雲端中心與超級電腦叢集般的大型基礎建設。因此IBM現在的藍圖不只是增加qubit數量，而是一場真正的「建築工程」藝術，代表量子電腦將從「實驗室玩具」，走向真正可擴展的工程系統（圖1）。
圖1：LPU不只是很多qubit疊加，而是利用拓撲錯誤修正，把量子訊息「隱藏」在一個全域拓撲結構裡，不怕局部錯誤的量子樂高積木。IBM的量子積木組裝路程圖，2028年前用量子積木組裝出超過120邏輯量子位元的實用電腦。IBM量子樂高積木塊將於2029年組裝出可商業化的200邏輯量子位元電腦，而在2033年組裝出2000邏輯量子位元的超級量子電腦。本圖為示意圖，由ChatGPT依描述由AI生成。
二、為什麼量子電腦這麼難做？
量子電腦之所以強大，是因為它利用了量子力學中的「疊加態」與「糾纏」。
古典電腦一次只能處理一種狀態，像在迷宮中逐條路不斷嘗試錯誤後而找到出路；而量子電腦則像同時派出無數分身，同時探索所有可能路徑。
因為量子位元極度脆弱，製作量子電腦到目前都是非常困難而昂貴。目前大多數qubit必須在接近絕對零度的環境下運作，其量子態壽命往往只有微秒到毫秒等級。這種困難度就像你試圖在一顆隨時可能破掉的肥皂泡上去雕刻文字及圖案。
更麻煩的是，當qubit數量增加後，控制線路的數量會呈現爆炸式成長。假設量子模組各有100顆qubit，至少需要數百條控制線。而如果將兩個模組彼此互相連接，那更需要至少數萬條控制線。問題是，量子晶片通常被放在極低溫冷凍系統裡，空間極為有限，根本容不下如此龐大的線路。
於是，量子電腦遇到了一個與早期城市發展很像的問題：不是不能蓋，而是「交通與基礎建設」的數量太龐大而無法擴張成長。
三、量子錯誤更正：用很多顆物理量子位元保護一顆邏輯量子位元
為了解決量子位元容易出錯的問題，科學家提出了「量子錯誤更正」（Quantum Error Correction）。概念很直觀，不要只依賴單一qubit，而是用大量「物理量子位元」（physical qubit）共同組成一個「邏輯量子位元」（logic qubit）來保護量子態。
這有點像：把一顆顆脆弱的肥皂泡，包進由許多複合的小泡泡組成的保護層（見圖2）。
問題在於，製作組合泡泡的代價極高。今天實驗室裡雖然已有上百顆物理qubit，但真正能穩定工作的「邏輯 qubit」仍然非常困難。早期理論甚至認為，一顆可用的邏輯qubit，至少需要上千顆物理qubit來共同組成保護。
這也是為什麼量子電腦，在過去多年來始終難以真正「長大」。
圖2：邏輯量子位元是由許多物理量子位元同組成，就像單一肥皂泡很容易受外在環境影響而泡滅，但是由許多肥皂泡共同組成的複合肥皂泡可以停留環境中比較久的時間。與ChatGPT 溝通後繪製而成。
四、IBM 的新解法：量子積木與甜甜圈
IBM 提出LPU的構想，本質上就是「量子積木」。每個LPU本身就像一台小型量子電腦，內部包含經過錯誤更正的邏輯位元。工程師可以先測試每塊積木是否正常，再把它們逐步拼接成更大的系統。
但真正有趣的地方，在於IBM採用的「拓撲保護」。為了保護量子資訊，IBM使用了一種稱為「表面碼（Surface Code）」的技術。簡單來說，資訊不再儲存在單一qubit，而是分散隱藏在許多qubit形成的幾何結構裡。
IBM更進一步，把這些平面結構「折疊」成類似甜甜圈（torus）的拓撲形狀。
這種設計有個重要特點：錯誤若只破壞局部區域，並不會摧毀整體資訊；必須沿著整個環狀結構破壞，才真正造成失敗。就好像是許多小泡泡組成的複合肥皂泡，要所有小泡泡都失去功能時，整個複合肥皂泡才會消失。
這就像一座被護城河包圍的城堡：拆掉幾塊磚沒用，必須摧毀整圈城牆才行。
IBM目前已展示能以約144個物理qubit加上一些耦合位元，來共同建立12個邏輯qubit的小型模組（見圖3）。這雖距離真正大型量子電腦仍有距離，但已比早期預估的需要上千個物理位元才能構成一個邏輯位元，技術上進步許多，工程製作上的量子積木也逐漸成形。
IBM這裡的拓樸設計，與近期華為利用「韜定律（Tau Scaling Law）」與邏輯折疊（實為拓撲折疊）搭配 3D EDA 突破製程封鎖的策略不謀而合。不論古典或量子，當物理材料與微縮走到極限時，利用 3D 架構與數學拓撲來超越二維時空限制，是兩者共同的解藥。
圖3：將平面格點的量子位元，左邊接上右邊，上面接上下方，就形成一個甜甜圈一樣的結構。這種數學結構有拓撲保護，沿著環狀區域操作與垂直環狀區域操作不會混淆。目前IBM採取這種長距連接的表面碼，可以用144個物理量子位元做出12個邏輯量子位元的小積木組件。由各種不同的甜甜圈的LPU，再來堆積出龐大的量子電腦。早期理論認為可能至少需要上千個物理位元才能組成一個邏輯位元，目前IBM這種設計只要12個就可以形成一個邏輯位元，是極大的技術突破。見IBM官網：https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc.
魔術積木：什麼是qLDPC？
讀到這裡，敏銳的讀者可能會好奇：為什麼從平面折成甜甜圈，就能把需要的物理量子位元數量，從上千顆集體壓縮到只要十幾顆？這背後的功臣，正是近年來量子計算界最火熱的突破技術──qLDPC（量子低密度奇偶檢查碼）。如果說傳統的表面碼是讓鄰近的肥皂泡「手牽手」互相照顧，那qLDPC 就像是幫這些泡泡裝上了「全域聯防系統」。利用長距離的線路連接，讓相隔很遠的量子位元也能產生糾纏，這帶來了兩個革命性的好處：
․省下十倍以上的空間：過去要保護一個邏輯位元需要上千顆物理位元，在某些新型 qLDPC 架構中，保護一個邏輯量子位元所需的物理量子位元數量，已開始遠低於早期表面碼架構的需求。
․積木更耐用：IBM之所以有信心在2033年蓋出兩千個邏輯位元的「量子城市」，qLDPC這種「以一當百」的超高效錯誤修正演算法，正是最核心的秘密武器。
五、量子電腦也遇上了「都市交通問題」
即使有了LPU，另一個問題仍然存在：兩個模組之間怎麼互相連接？
如果每個模組都直接拉線，最終仍會回到「接線數量爆炸」的困境。因此 IBM開始利用量子糾纏，建立跨模組的通訊方式。白話來說：不是讓每顆qubit 都有自己的專線，而是像城市中的高鐵與網路骨幹。
透過少數共享通道，不同 LPU 可以彼此交換量子資訊，而不需要鋪滿實體線路。
這種方法有點像：現代城市之所以能擴張，不是因為每戶人家都互拉電話線，而是因為建立了大型交通與網路系統。量子電腦如今也開始進入這種「基礎建設工程學」階段。
實踐藍圖──從2025到2033的量子路程圖
根據IBM釋出的「容錯量子運算路線圖」，這場積木拼湊計畫有著明確的時間表：
1.2025-2026：量子實用性（Quantum Utility）的啟航
這個階段標誌著「量子實用性」時代的到來。雖然還不能解決所有問題，但在模擬分子行為或特定金融演算法上，已經能展現其獨特優勢。
2.2027-2029：模組化量子超級電腦
100個邏輯量子位元會是所謂量子突破（quantum breakthrough）元年，因為在某些特殊應用已經是古典電腦無法達成的。在2029，IBM目標組裝出含200 個邏輯位元的模組化量子超級電腦，預期在某些特定量子模擬與最佳化問題上，開始展現超越超級電腦的能力。
3.2033：量子城市的落成
IBM預計在2033年達成2000個邏輯位元的通用型量子電腦目標。屆時，這將不再只是一台機器，而是一個由眾多節點互連、像超級電腦叢集一樣的巨大平台，能真正落地解決材料科學、藥物研發與複雜金融風險預測等世界級難題。
六、量子樂高積木的「死亡之谷」：IBM如何解決「積木間接不緊」的噩夢
想像你正在組裝一組精美的樂高城市。每塊積木本身都非常堅固、完美無瑕。但當你試圖把兩塊積木卡在一起時，卻發現──卡榫永遠對不齊，輕輕一碰就鬆脫。
兩塊積木之間的「死亡之谷」
在單一LPU內部，量子位元之間的溝通已經相當成熟。但當訊息要從A積木傳到B積木時，問題就來了：量子訊號（微波光子）必須離開原本的超導晶片，穿過冰冷的纜線，再進入另一顆晶片。這個過程就像你要把滿滿的一杯水從一張桌子「倒」到另一張桌子──只要手拿不穩，水一定會些許灑出來。
這個也像小時候買到的盜版積木，常常兩塊積木無法順利接合。這就是業界所說的「死亡之谷」──不是積木本身的品質問題，而是積木與積木之間的接頭太難設計。
IBM沒有硬闖死亡之谷，而是採取了「軟硬兼施」的策略。
第一招：研發「友善卡榫」（硬體層）
IBM正在發明一種新的「卡榫」設計，讓不同LPU能更穩定交換量子訊號。有些設計負責晶片內長距耦合，有些則負責不同模組間的連接。
第二招：讓積木學會「分工」（軟體層）
除了硬體，IBM還在Qiskit編譯器中加入了AI規劃師。這個AI會做的事情很簡單：把要運算的問題拆解成「盡量在同一個房間內完成」的任務。白話來說：如果兩個量子位元需要頻繁溝通，AI會優先把它們安排在同一塊LPU內部。只有在萬不得已時，才讓它們跨模組溝通──就像你只在必要時才打越洋電話，而不是每講一句就打一次。
死亡之谷現在尚未完全填平，但IBM已經逐漸找到了造橋的方法。
七、量子城市將改變什麼？
如果IBM的藍圖成功，量子電腦真正的影響，可能不只是「算得更快」。
它將改變的是，人類處理複雜問題的方式。就像我們不會指望汽車能飛上天空一樣，某些涉及巨大組合空間、量子模擬與高維最佳化的問題，可能天然更適合量子電腦處理，而非數位架構。
1.新藥開發
今天的新藥研發往往需要十年以上。原因之一，是分子與蛋白質的量子行為太過複雜，古典電腦只能做近似模擬。量子電腦則可能直接模擬分子間交互作用，大幅縮短藥物設計時間。
2.金融風險管理
現代金融市場高度複雜。當利率、能源價格、地緣政治同時變動時，傳統模型往往難以即時處理。量子電腦未來可能同時計算數百萬種市場情境，即時進行風險評估與避險分析。
3.材料科學與能源
高溫超導體至今仍是物理學中的重大難題，因為古典電腦難以精確模擬強關聯電子系統。若量子電腦能成功模擬這些系統，人類可能首次真正理解高溫超導機制，進一步改變能源傳輸與交通技術。
4. AI與量子的結合
另一個值得注意的方向，是AI與量子的互相加速。目前AI已開始協助量子電腦降低錯誤率；而未來量子電腦成熟後，也可能反過來大幅提升AI的訓練效率。這形成一個新的正向循環：AI幫助量子電腦成長，量子電腦再讓AI更強大。
量子城市的最後一塊拼圖，可能來自 AI的協助。
目前，NVIDIA已開始用GPU訓練深度學習模型，模擬量子系統中的Ising model，提前預測錯誤發生的位置與模式──這被稱為「AI for Quantum」。它像在蓋積木之前先用AI做風洞測試，讓量子電腦的錯誤更正更有效率。
反過來，當量子電腦成熟到擁有數千個邏輯qubit時，它將反過來加速AI的訓練。今天的GPT-4需要數億美元、數月時間才能完成訓練，因為古典電腦在矩陣運算上已逼近極限。量子電腦天生擅長線性代數，可能將訓練時間從數月縮短到數天。
AI幫助量子電腦長大，量子電腦讓AI更聰明──這是正在發生的革命。AI與量子運算之間的互相加速，未來可能成為下一波大型科技平台的重要基礎。
八、Q-day：量子時代的資安焦慮
跨越死亡之谷之後，這座量子城市究竟能為我們做什麼？
眼前的難關
儘管藍圖美好，IBM 目前仍需克服三大障礙：
․糾纏穩定性：跨模組傳送糾纏態的誤差率仍需大幅降低。
․物理錯誤率：物理位元的錯誤率需再降1-2個數量級，才能讓表面碼發揮更佳效果。
․頻寬限制：究竟需要多少條糾纏通道才能讓量子城市不塞車？這仍需要系統工程師的努力。
Q-day 的衝擊
量子電腦除了帶來機會，也帶來巨大壓力。在量子圈裡，有個著名詞彙叫「Q-day」──也就是量子電腦強大到足以破解今日主流加密系統的那一天。
目前全球金融、政府與網路安全大量依賴RSA加密，而理論上，大型量子電腦可能在未來數十年內破解它。
因此，美國NIST已開始推動「後量子密碼」（PQC）標準。Google、IBM、微軟等企業，也已逐步測試新的量子安全加密技術。
問題不再是：Q-day會不會到來。而是：我們是否能在它來臨前完成數位世界的升級。
九、從積木到文明
從工業革命、電晶體革命，到今天的量子革命，人類文明真正的突破，往往不只是某項發明本身，而是全新的「可擴展架構」出現。
IBM的量子積木藍圖真正重要之處，不只是qubit數量，而是它讓量子電腦開始出現類似「現代城市」的工程擴展哲學。
這意味著：量子電腦不再只是物理學家的實驗裝置，而正逐漸變成一種可以被建設、擴張、維護與管理的大型工程系統。
對臺灣而言，這場量子革命也並非遙遠。臺灣在半導體、低溫電子、高速互連與精密製造上的優勢，未來都有可能成為量子電腦供應鏈的重要一環。如同臺灣曾在半導體時代找到自己的角色，量子時代的下一張產業地圖，也可能正在形成。因為我們正在見證量子世界從「實驗室科學」，走向真正的「文明基礎建設」的快速變化過程中。
20世紀的人類，學會了建造高速公路、電網、網際網路與超級電腦中心。
而21世紀的人類，或許正在學習另一種新的基礎建設：量子糾纏網路、容錯量子節點，以及量子城市。
當量子電腦開始從單一機器，轉變成像城市般可擴展的系統時，它改變的可能不只是計算能力，而是整個人類文明處理複雜問題的方法。
張慶瑞小檔案
1979年畢業於臺大物理學系，1988在加州大學聖地牙哥分校取得物理博士學位，1989年二月進入臺大服務，曾經擔任臺大副校長並代理校長。
張教授從事微磁學數值研究與自旋傳輸機制，已發表280篇以上專業論文並獲得28個專利。他是美國物理學會（APS）與國際工程學會（IEEE）會士。曾擔任亞洲磁性協會理事長，及臺灣磁性協會理事長暨臺灣物理學會理事長。近來曾主持NTU-IBM量子計畫，積極加速培養新興跨領域人才。近期推動量子計算相關研究，應用於新材料、新藥物合成，與財務金融領域，並創建臺灣量子電腦暨資訊科技協會，擔任理事長。於2022年擔任中原大學物理系講座教授並兼任校級量子資訊中心主任。
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