此報告由歐盟Horizon 2020 (2014-2020)所資助的歐洲尖端運算夥伴 (Partnership for Advanced Computing in Europe, PRACE)的研究成果，其該機構成立目的為實現具有高影響力的科學發現與工程研發，以提高歐洲的競爭力。

量子計算在未來可能為科學計算帶來重大突破，儘管現在仍處於起步階段，量子計算已與傳統的高效能運算技術(High Performance Computing, HPC)結合。此報告介紹量子計算技術、現況與未來應用場景，並利用歐洲所獨有的專業知識與新興量子生態系，結合量子技術建構獨步全球的高效能運算基礎設施。

一、介紹

量子計算被視為未來高效能運算的革命性關鍵技術，因為量子電腦透過量子力學原理進行運算，其計算效能遠比現在的超級電腦與高效能運算演算法要來的有效率。當量子電腦發展技術成熟後，其能解決的問題規模與複雜性將超過傳統電腦的計算能力，因此預期量子計算將對需要利用計算與模擬的所有科學、研究、開發與創新領域產生巨大影響，其領域包括人工智慧/機器學習、材料科學、化學製藥、醫學研究、金融與氣候模擬等等。因此，這項革命性的新技術可能為目前社會所面臨的重大挑戰提供解決方案。

量子電腦發展至今已有40年的歷史，在歷經長期緩慢且艱鉅的發展後，目前已步入快速發展階段，且其步伐仍持續加速中。目前量子計算正處於證明其運算能力可以用來實現傳統電腦所不能解決的問題的階段，儘管解決這些問題幾乎沒有實際用途。因此，為了讓量子電腦展現優勢，並成為能解決現實世界問題的工具，仍有許多挑戰需要被克服，其中包括量子電腦的軟硬體發展，為推動以上發展，擁有成熟的量子計算基礎建設至關重要。

此報告介紹如何將現有的超級電腦與量子系統整合，並提供解決不同科學問題的可靠的演算法，未來工業與學術界需利用這些演算法，產生協同效應並發展關鍵技術，報告最後探討量子計算未來方向與挑戰。本文僅摘錄混和高效能運算與量子計算技術、歐洲量子計算發展現況以及量子計算未來發展。

二、 混和高效能運算與量子計算技術
可靠並可大規模應用的量子電腦仍屬於未來技術，現今可使用於科學研究的量子計算皆須依賴可公開存取的量子電腦或量子電腦模擬器。因此，在學術界與工業界實現量子計算時，開發人員與應用程式擁有者將面臨量子計算的教育、可程式化與量子計算系統可用性等挑戰。幾十年來，科學家們致力於透過採用新技術解決這些挑戰，例如使用中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)和AI加速器等來加速量子計算的應用，透過雲端存取將量子模擬器/量子電腦與高速電腦結合，促使科學界能熟悉量子計算，並加速其採用。此方式能經由混合傳統與量子的方式各取所長，能達到相輔相成的效果。

混合高效能運算與量子計算的方法主要有三種：獨立、協同合作與分佈式模式，而實際上應用可使用所有三種模式的組合。
(一)獨立：混合高效能運算與量子電腦最簡單的協同方法是將獨立的量子系統透過網路連接到高速運算中心的超級電腦，高速運算基礎設施可提供程式編寫環境並協調與調度資源，部分計算在傳統高速電腦執行而其他部分則在量子電腦執行。但此混合兩種不同計算的方法，其傳統電腦與量子電腦處理器之間的延遲可能成為一個問題。

(二)協同合作：為避免與網路相關的延遲，其中一種解決方式將量子處理器(QPU)與CPU/GPU緊密耦合，甚至設計在同一晶片上，但此也帶來冷卻、雜訊消除、電磁屏蔽、超高真空外殼等額外物理設計的挑戰，且目前尚未出現相關的解決方案。

(三)分佈式：由於以上協同模式所面臨的困難，使得連接量子電腦與高速運算伺服器的分佈式模式具有優勢，分佈式模式允許量子電腦與高速運算伺服器能位於適合其架構的位置上，例如可將對環境雜訊敏感的量子電腦放在更加屏蔽的空間中。但相較於協同方法仍需考慮一些額外的複雜度，例如可能需要實現額外的資料安全措施等等。

三、 歐洲學術界與產業界的量子計算
目前歐洲強大的量子生態系統主要歸功於學術研究人員與新創公司的努力，因此未來歐洲量子計算技術競爭力的關鍵在於持續讓這些研究單位與企業能在現實生活中使用這些新技術與複雜的量子解決方案。產業界了解其所面對的挑戰並擁有相關數據，而學術界與新創公司則擁有專業知識與技能可支持產業界的發展。因此，透過聯合學術界，包括研究與技術組織，新創與產業界的努力，可以最大限度的發揮量子計算的影響力。

新創公司通常具有學術背景，位置處於學術界與工業界之間，因此可以成為連結學術界與工業界的橋樑，而這也有助於建立更成熟的生態系統，並讓不同產業了解投資量子技術所需的資源需求，例如研發、教育、招聘與金融投資，進而評估自身是否值得投資於量子計算。另一方面，新創公司也漸漸的在歐洲地區提升知名度、提高自身的技術整備度，並簡化產業與學界研究人員之間的知識轉移。因此，一些歐洲國家已經開始扶植量子技術的新創公司。加拿大先進研究所(Canadian Institute for Advanced Research)最近所發表的一份報告更詳盡地概述不同國家為支持量子研發所採取的相關政策與措施。

在法國巴黎，法國國家大型計算中心(GENCI)與促進量子計算的非營利組織Le Lab Quantique共同創立Pack Quantique計畫，透過與新創公司與學術聯盟合作，以為重大工業挑戰項目提供資金。此外，法國亦提出Teratec量子計算倡議，旨在促進學術界與工業界間的協同作用，以快速培養量子計算領域技能與專業知識，並聚集未來用戶、技術提供商與研究中心。

在芬蘭，VTT技術研究中心和新創公司IQM合作建立一台量子電腦，並計劃在2024年能達到建造50 qubits量子電腦的能力。此外，芬蘭的量子生態系統整體上也正蓬勃發展。最近芬蘭量子研究所結合量子計算、通訊、感測、計量學與模擬的專業知識成立InstituteQ；而Business-Q則是聯合工業、大學、研究、技術組織與投資者。政府創新輔導機構Business Finland與赫爾辛基商業中心(Helsinki Business Hub)多年來一直持續耕耘量子產業與新創公司。

在德國，由十家最具影響力的公司組成量子技術與應用聯盟(Quantum Technology and Application Consortium, QUTAC))最近推出一倡議，他們將利用所擁有的資源與專業知識加速德國在量子計算領域創新。荷蘭量子計畫Quantum Delta NL已獲得6.15億歐元，並利用公私合作關係，組織與實施荷蘭國家量子技術計畫(National Agenda for Quantum Technology, NAQT)中的量子計算項目。

在全歐洲的範圍內，量子旗艦計畫(Quantum Flagship)補助了六個量子計算與模擬計畫，其中包含：AQTION-基於離子井的高等量子運算、NEASQC-量子計算的次世代應用、OpenSuperQ-開放式超導量子電腦、PASQuanS-可程式化大規模量子模擬、Qombs-利用量子串聯雷射光頻梳實現量子模擬與糾纏與QLSI-量子大規模積體電路。歐洲量子產業聯盟的目標為在歐洲培育一個公平永續的量子技術商業環境，並確保其全球競爭力。

四、 量子計算的未來方向與挑戰
量子計算正在加速發展，並已走出學術實驗室，在商業領域不斷發展，麥肯錫顧問公司預測，到2030年代中期，量子計算的商業價值潛力將破兆歐元。但要達到以上期望，量子計算技術需要不斷進步，如前文所提及的，量子位元對雜訊非常敏感，且目前量子電腦的位元數並不多，目前最強大的祖沖之號(Zu chongzhi)量子電腦僅擁有66個超導量子位元，因此，我們正處於嘈噪中型量子運算(Noisy Intermediate Scale Quantum，NISQ)世代。

擴大量子計算的規模也是目前的挑戰之一。除了增加量子位元與提高量子位元品質外，現在如何控制與校正越來越密集的量子位元也逐漸成為研究主題，因為製造一個相互連接的百萬量子位元的量子電腦非常具有挑戰性，其量子位元間的佈線工作非常龐大。透過量子網路連接幾台較少量子位元的量子電腦可能成為擴大量子計算的首選方法，目前技術上相距60公尺的兩個量子位元已經可以互相連接以執行協同運算。邁向大規模量子計算道路上的第二大挑戰是量子錯誤糾正(quantum error correction, QEC)，由於量子去同調效應(decoherence)、不夠精確的邏輯閘與輸出錯誤等問題需要QEC來修正錯誤，目前存在的量子電腦尚未實現一個能完全容錯的量子位元。

為了達到大規模量子運算，結合傳統運算也發揮了重要的作用。使用機器學習可以加速量子電腦，機器學習演算法已被用於量子位元校正、錯誤糾正與最佳化量子計算演算法。隨著更高的量子計算複雜度，機器學習/人工智慧所扮演的角色預計將越來越重要，在可預見的未來，傳統與量子電腦的結合將持續發展。

此外，量子電腦的軟體開發也須不斷發展，若無用於解決特定類型問題的軟體，量子電腦即毫無用處。因此現在迫切需要現成的演算法與函式庫，投入大量資源開發量子演算法的科學開發模組。在目前的階段，說服用戶採用量子計算也極具挑戰性。從習慣使用傳統電腦的終端用戶而言，量子電腦顯得非常深奧，因此更顯發展使用者友善軟體的重要性。讓終端用戶能參與早期軟體開發，可以在開發技術者與使用者之間持續對話，以確保其開發與需求保持一致。

最後，大型量子電腦通常在體積上也是龐大的。但這個觀念也逐漸受到挑戰，例如澳洲與德國的Quantum Brilliance正在開發攜帶型的量子加速器，預計2026年能達到顯示卡的大小。奧地利AQT也已提供標準19吋機身的量子電腦。因此，未來最強大的量子電腦解決方案可能會依需求量身訂製所需要的空間，就像現在的超級電腦一樣。

五、 結論
量子計算仍處於早期發展階段，目前正在探索實現量子位元與控制這些位元的幾種不同的物理機制，但最終可能發展成不同的機制會適用於解決不同類型的問題。雖然未來的量子計算架構與系統仍未知，但就現有了解，量子計算未來會是混合式計算的，因為現有的幾種量子技術的融合與模擬在傳統電腦中進行是比較合適的。此外，為了促進量子計算應用，將量子電腦整合到現有的超級電腦基礎設施是必要的。對於現實生活中的問題，目前量子電腦不會取代傳統電腦，而是成為高效能運算技術不可或缺的一部份。因此，歐洲有機會透過縝密整合量子技術，並利用數十年來所建立高效能運算中心的專業知識，建立獨特的混合超級電腦基礎設施。