東京大學 × 量子計算研究所創新架構，跳脫量子資源詛咒

在量子運算的競賽中，科學家們正面臨嚴峻挑戰。儘管量子電腦理論上具備超越古典電腦的運算能力，但要真正實現「容錯量子運算」，所需硬體資源與糾錯成本，往往隨著精確度的提升而呈爆炸性成長。

然而，近期一項由東京大學與鴻海研究院合作的研究，卻成功打破此一看似不可踰越的物理限制。這項研究成果不僅登上了頂尖國際期刊《自然物理》（Nature Physics），更在量子資訊理論年度盛會「QIP 2025」榮獲「最佳學生論文獎」。

要理解這項研究的意義，必須先理解量子糾錯中的「魔術態蒸餾」。在容錯架構下，雖然「克里福德閘」（Clifford gates）相對容易實現，但要達成通用的量子運算，必須引入「非克里福德閘」，過程需要高品質的「魔術態」做為資源。

過往的技術瓶頸在於，為了獲得更高純度的魔術態，科學家必須反覆進行多次蒸餾過程。東京大學情報理工學系研究科副教授山崎隼汰指出，傳統量子編碼方案無法同時兼顧編碼率、編碼距離與對稱性，導致隨著精確度要求提高，所需的物理位元與資源投入會迅速膨脹，成為實現通用量子電腦的主要障礙。

代數幾何碼發威，恆定開銷技術飛躍

東大與鴻海研究院此次合作的最重要突破，是提出「恆定開銷」（constant-overhead）協議—無論目標精確度要求多高，輸入的魔術態比例均保持固定。這項研究利用數學的「代數幾何碼」，設計出只需要單輪蒸餾即可達到任意精確度的方案，從根本上消除反覆蒸餾帶來的巨大資源損耗。

做為世界頂尖學府，東京大學擁有眾多國際合作機會，但山崎隼汰選擇與鴻海研究院深度結盟，原因在於，鴻海研究院獨特的運作模式為學術探索提供絕佳土壤。

山崎隼汰指出，鴻海研究院給予研究者充分的自由度與彈性，並提供行政支持，更展現對領域長期發展的承諾，例如：透過資助博士後與博士生參與協作，支持全球頂尖學術團隊的長期成長。這種「社群建築工程」的思維，讓鴻海研究院在純理論研究者心中建立極佳的聲譽與能見度。

這項研究成果對全球量子社群所傳遞出的強烈訊號是，理論上的突破，在實現容錯量子電腦的進程中，其重要性並不亞於硬體技術的進步。

從產業角度看，這項技術也為「可擴展性」提供新解法。山崎隼汰比喻，魔術態蒸餾工廠就像大型濾水廠，是系統運作的核心，但極占空間。然而，透過「恆定開銷」協議，未來量子硬體的設計者將能以更精簡的架構，達成更高品質的運算。

前的成果仍處於「概念驗證」階段，且在硬體落實上仍面臨常數因子過大等挑戰，但它已開闢一條全新的道路。山崎隼汰強調，這正是產學合作的價值所在，學術界負責釐清物理極限與理論基礎，產業界則能帶著對擴展性與實務挑戰的洞察，協助將這些理論轉化為實際的技術指標。

《自然物理》的發表與QIP的獲獎，證明臺灣與日本在量子理論研究上已達到世界一流水準。這種跨國界、跨領域的產學共創模式，不僅提升雙方在國際量子社群的發言權，更為量子科技的實用化進程注入強心針。

隨著5G、6G等古典通訊已逼近理論極限，量子技術正處於發展黎明。透過東京大學的學術深度與鴻海研究院的產業遠見，這項「恆定開銷」的突破，或許就是那把打開通用量子運算大門的關鍵鑰匙。