一、導論
量子運算有望在分子、材料及量子場等特定科學計算問題上，實現較傳統電腦快上指數級的運算速度。這項技術與美國能源部(U.S. Department of Energy, DOE)引領科學發現的使命相契合。數十年來，DOE及其17個國家實驗室持續研發、建置並運用全球最先進的超級電腦。在此基礎上，DOE提出《美國能源部量子超級運算藍圖》(Blueprint for DOE Quantum Supercomputing)，規劃發展符合科學研究需求的量子運算能力及相關生態系，整合科學應用與量子電腦架構、軟體、設施及資源的發展方向，為2028年初步部署量子運算系統奠定基礎，並以取得全球領導地位為目標。

由於科學相關量子電腦(Scientifically Relevant Quantum Computer, SRQC)在設置、運作及程式設計方面具有特殊需求，DOE須立即推動兩項工作。一是加速建立SRQC及生產規模量子電腦(Production-Scale Quantum Computer, PSQC)的國家級能力，包括培養科學應用與量子電腦架構的共同設計及相關專業人才、投資大規模自動化編譯工具，以及建立標準化評估與基準測試機制。二是以2028年為目標，部署具備完整且可程式化容錯邏輯運算功能的SRQC，使其能在至少100個邏輯量子位元上執行10⁴至10⁵次困難邏輯運算(hard logical operations，如T閘或Toffoli閘)，以驗證容錯量子電腦(Fault-Tolerant Quantum Computer, FTQC)的潛力與可行性，並展示其規模擴展能力。

二、量子運算的發展現況
在利用量子運算解決科學問題方面，容錯量子運算被視為最具前景的技術。這項技術透過量子糾錯保護邏輯量子位元，降低運算錯誤的影響。相較於過去缺乏完整糾錯能力的量子運算技術，FTQC更有機會突破傳統超級電腦的運算限制，為多個科學領域提供可擴展的解決方案。

FTQC近年發展迅速，2024至2025年間已出現首批小規模、完整流程的容錯運算示範，經量子糾錯保護的邏輯量子位元，以及不同類型的邏輯運算等關鍵技術也已獲得驗證。評估FTQC能力主要有兩項指標：一是可使用的邏輯量子位元數量，二是在累積顯著誤差前，能夠執行多少次較難實現的邏輯運算。

量子運算雖有望在特定問題上突破傳統電腦的運算限制，但解決高溫超導、過渡金屬催化等重大科學問題，仍須仰賴高效能運算(High-Performance Computing, HPC)。因此，量子與傳統超級電腦須協同運作，可分為獨立運作、鬆散耦合及緊密耦合三種模式。此外，容錯量子電腦本身也需要大量傳統運算資源支援，可能需要高達50 petaflops的運算能力、1 Tb/s的資料傳輸頻寬，以及低至20微秒的延遲，以處理量子糾錯資訊、管理運算流程並進行即時校準。

三、以容錯量子電腦解決領域科學問題
量子電腦最早展現科學應用價值的領域，可能包括材料科學、量子化學，以及高能與核物理(High Energy and Nuclear Physics, HENP)。這三個領域占美國能源部高效能運算工作負載的重要部分，其關鍵研究涉及極為複雜的量子系統，即使運用百億億次級(exascale)超級電腦也難以模擬。

在材料科學方面，費米－哈伯德模型(Fermi-Hubbard model)可用於研究高溫超導材料的多種現象，但傳統超級電腦難以兼顧模擬規模與精度。若由量子電腦模擬局部系統、傳統電腦處理周圍環境，便有望透過6×6叢集模型的模擬取得新的科學成果，估計需要200至300個邏輯量子位元及10⁸次困難邏輯運算。

在量子化學方面，重要研究對象包括與固氮作用相關的鐵鉬輔因子(FeMoco)，以及參與藥物代謝的細胞色素P450。此外，量子化學模擬也可用於研究核融合相關的電漿與材料問題。以FeMoco為例，利用量子相位估計方法計算其基態能量，約需1,000個邏輯量子位元及至少10⁸次困難邏輯運算；若結合傳統運算，僅以量子電腦處理具有強烈電子關聯性的分子片段，所需資源則可降至50至100個邏輯量子位元及10⁴至10⁵次困難邏輯運算。

在高能與核物理方面，傳統方法在模擬量子色動力學的動態過程及有限密度系統時，會面臨計算上的「符號問題」。以簡化模型模擬10×10的SU(3)晶格規範理論，估計需要100個邏輯量子位元及320萬個T閘。

上述應用涉及多種共通的量子演算法。整體而言，部分具科學意義的量子運算可能需要數百個以上邏輯量子位元及十億次以上的困難邏輯運算。由於每次困難邏輯運算約需100至1,000次基本量子運算(quantum operations, quops)，部分估計認為，要實現廣泛的科學應用價值，可能需要能在1,000個以上邏輯量子位元上執行10¹²次基本量子運算的「teraquop」級量子電腦。報告並指出，未來4至8年的演算法及架構進展，有望降低上述資源需求。

四、容錯量子電腦的能力路線圖與預測
目前最先進的超導、離子阱及中性原子量子電腦，約能以100個實體量子位元(physical qubits，即量子電腦硬體中的基本量子位元)執行5,000次運算，距離科學應用所需的能力仍有數個數量級的差距。每次困難邏輯運算通常需要100至1,000次基本量子運算(quop)，而不同架構下，每個邏輯量子位元可能需要72至584個實體量子位元。因此，要在1,000個以上邏輯量子位元上執行10⁹次困難邏輯運算，可能需要至少10萬個高保真度實體量子位元。

根據產業技術發展規劃，報告提出「適度樂觀」的預測，認為至少有一種技術平台可能在2028年達到25至100個邏輯量子位元、10⁴至10⁵次困難邏輯運算，並於2031至2033年提升至1,000至2,000個邏輯量子位元、10⁹至10¹²次困難邏輯運算。

為加速實現具科學應用價值的量子運算，DOE提出三項優先工作：與廠商共同設計量子電腦，以2028年部署約100個邏輯量子位元的系統為目標；提前準備相關設施、使用者、專業人員及軟體與理論基礎；並規劃及資助具突破潛力的研發工作。

五、軟體、系統與設施的準備
未來五年，DOE須建立完整的系統軟體環境，使科學相關量子電腦(SRQC)成為可有效管理的運算資源，並為2028年量子系統的正式運作做好設施準備。傳統運算將從三個層面支援量子電腦：一是即時處理量子糾錯與設備控制；二是管理程式編譯、運算排程及資源協調；三是整合至DOE「創世紀任務」(Genesis Mission)的科學研究環境，連結高效能運算(HPC)與人工智慧(AI)。

軟體方面，須建立適用不同廠商設備的管理工具、量子與傳統運算的整合框架，以及與既有超級電腦相容的操作介面。設施方面，超導與離子阱系統需要防震、電磁屏蔽及溫度控制，光子系統則須維持光學對準並控制粉塵與濕度，同時建立自動校準及維護機制。

在採購規劃上，DOE可考慮於2026年上半年發布資訊徵詢書(Request for Information, RFI)，並於同年稍後徵求提案，同時評估多種量子運算技術路線，以降低依賴單一技術的風險。

六、加速實現變革性的科學量子效用
DOE可透過聚焦三項關鍵研發方向，爭取將廣泛實現量子運算科學應用價值的時間，從2030年代提前至最早2028年。一是探索適合容錯量子運算的新科學應用，例如某些系統的動態模擬，可能比能量計算更適合量子電腦。二是開發更有效率的量子演算法，降低運算資源需求；過去十年相關成本已下降數個數量級，未來仍有大幅改善的空間。三是改進量子糾錯技術，提高實體量子位元的使用效率。傳統表面碼(surface code)可能需要數百個實體量子位元，才能編碼出一個邏輯量子位元；相較之下，新型糾錯碼已有研究提出僅需24個實體量子位元的設計，可望大幅降低硬體資源需求。

以一台假設於2028年具備1萬個實體量子位元、實體量子閘錯誤率為3×10⁻⁴的量子電腦為例，採用表面碼可提供約100個邏輯量子位元及10⁷次基本量子運算(quop)；若改進糾錯碼、運算路由及邏輯閘設計，則有望提升至600個邏輯量子位元及10¹⁰次基本量子運算，使哈伯德模型的模擬達到可能產生重大科學成果的規模。

七、預期成果與評估標準
DOE以2028年部署科學相關量子電腦(SRQC)為目標，期望系統能執行容錯運算、科學計算及基準測試，展現邁向生產規模量子電腦(PSQC)的進展，並完成人力與設施準備。

成功的SRQC至少須能執行涵蓋材料科學、量子化學及高能與核物理的小型示範應用，驗證容錯量子電腦解決科學問題的可行性。即使運算能力尚未超越傳統電腦，也須展現隨問題規模擴大、未來有望超越傳統電腦的效能趨勢。例如，計算2×2、4×4及6×6費米－哈伯德模型的基態能量密度。

突破性研發則以達成以下任一成果為衡量標準：發現可由SRQC解決且具科學價值的新問題；開發能在SRQC上執行、解決傳統高效能運算難以處理之科學問題的新演算法；或改進邏輯架構，使相同硬體能執行具有科學應用價值的量子運算。

八、後續工作與推動時程
為於2028年展示具科學應用價值的容錯量子運算，DOE須加速整合國家實驗室的量子運算與科學領域專家，遴選合作廠商並展開共同設計。主要目標包括：部署可在至少100個邏輯量子位元上執行10⁴至10⁵次困難邏輯運算的科學相關量子電腦(SRQC)；建立可跨平台使用的完整軟體系統；推進容錯量子運算基礎研究；深化產業合作、完備設施，並建立2028年科學應用展示的評估標準。

後續主要工作包括：成立跨實驗室指導委員會、向產業發布資訊徵詢書(RFI)，並展開系統與應用的共同設計；徵求SRQC系統提案、遴選廠商及整備設施，同時成立卓越中心，評估廠商技術進展；並以2028年部署約100個邏輯量子位元的SRQC、進行初期科學實驗為目標。