改變社會 — 教你用電腦做公益！

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

量子電腦的新戰場：Atom Computing 的崛起

量子電腦的發展一直以來被視為科技的終極挑戰，從 Google 的量子霸權，到 IBM 不斷推進的Condor 超導電腦，業界翹首以待。然而，截至 2024 年，量子計算領域出現了一個新的變數。Atom Computing 一家美國新興公司，推出了擁有 1,180 個量子位元的量子電腦，不僅超越了IBM神鷹量子電腦的 1,121 個量子位元，甚至德國達姆施塔特工業大學也宣布開發出 1,305 個量子位元的超級電腦。

這些新興勢力的出現，不僅在位元數量上超越了 Google 與 IBM 的現有設備，更顛覆了量子電腦技術路線的既有認知。與以往依賴超導技術的量子電腦不同，Atom Computing 與達姆施塔特大學採用了「離子阱」( Ion Traps ) 技術，利用雷射與電場操控離子，形成穩定且壽命較長的量子位元。這是否意味著，超導量子電腦將不再是量子計算的唯一未來？

離子阱技術：量子計算的新契機？

為了理解這一新興技術的潛力，我們首先需要認識量子位元的製作原理。超導量子電腦運用電子在超低溫下的行為，來實現穩定的量子狀態。然而，隨著量子位元數量增加，超導系統面臨物理尺寸與能耗的挑戰。這也是為何離子阱技術逐漸受到重視。

離子阱技術是透過電場陷阱將帶電的離子懸浮在空中，並利用雷射操控其量子態。這種技術擁有更高的穩定性，且能在更長時間內維持量子位元的疊加態。然而，由於需要超低溫、精確的電場控制以及真空環境，離子阱技術在商業應用中的成本仍然偏高，但它的潛力不容忽視。

中性原子與光學魔法：更進一步的量子技術

除了離子阱技術，Atom Computing 與德國團隊則採用另一種不同的策略——使用中性原子來取代離子。中性原子不帶電，這意味著無法直接依賴電場控制，那它們如何操控？答案在於光學技術。他們運用光鑷（光學鑷子）和雷射致冷技術，用光來束縛和操控中性原子。光鑷是 2018 年諾貝爾物理學獎的技術，利用雷射的動量來推動和控制微小的粒子。

在這種方法下，雷射不僅能束縛原子，還能通過致冷技術將原子的運動降到極低，使得量子態更穩定。這種新興技術雖然仍處於實驗階段，但已顯示出其在量子計算中的巨大潛力。

量子點與鑽石空缺：人造原子的力量

另一個在量子計算領域獲得關注的技術是「量子點」( Quantum Dots )。量子點被視為人造原子，科學家透過在矽晶體等半導體材料中束縛電子，並利用微波來控制其自旋狀態。這項技術的最大優勢是半導體產業已經相當成熟，因此如果量子點技術能成功商業化，其普及速度將非常快速。即便如此，量子點技術仍需要在低溫環境下運作，且面臨如何克服材料內部雜訊干擾的挑戰。

與此類似的技術還包括「鑽石空缺」( Diamond Vacancies )，它透過在人造鑽石中替換部分碳原子，以氮原子取代，並使用雷射來激發這些空缺結構。鑽石空缺技術的最大優點是它不需要極低溫，能在室溫下運作，這使得它在未來的量子計算應用中具有很大的潛力。

二維世界的探索：拓樸量子位元

隨著三維物理的極限逐漸顯現，科學家們將目光投向了二維世界，探索其中的量子計算可能性。微軟與貝爾實驗室都在研究的「拓樸量子位元」( Topological Qubits ) 便是一個例子。拓樸量子位元基於一種稱為「任意子」( Anyon ) 的準粒子運作，這種粒子只存在於二維空間中，並且擁有無視傳統量子力學法則的特性。

拓樸量子位元透過操控粒子的空間幾何軌跡來實現運算，這種軌跡在二維空間中表現出穩定且高度容錯的特性。因此，與其他量子位元相比，拓樸量子位元的穩定性與耐久性更佳。然而，這項技術仍處於實驗階段，距離實際應用還有一段路要走。

量子電腦的未來：量子糾錯與穩定性挑戰

儘管量子電腦擁有極大的潛力，但其目前仍面臨著許多挑戰，最重要的便是量子位元之間的「保真度」( Fidelity ) 與「量子糾錯」( Quantum Error Correction ) 技術。現代的量子電腦對外界干擾極為敏感，甚至微小的環境變化都可能導致計算結果的錯誤。因此，提升量子位元的精確率，並開發有效的糾錯技術，是量子計算未來必須跨越的關鍵。

以 Google 為例，他們在 2023 年發布的研究顯示，通過增加量子位元數量並使用「表面碼」( Surface Code ) 技術，他們成功降低了量子計算中的錯誤率。這項進展意味著量子糾錯技術正逐步成為現實，然而，大規模商業化的量子電腦仍需更多時間才能問世。

誰將引領量子計算的未來？

量子電腦的發展方向多樣，從超導量子電腦、離子阱、中性原子、量子點、鑽石空缺，到拓樸量子位元，每一種技術都有其獨特的優勢與挑戰。誰能成為量子計算的最終霸主，仍然是未解之謎。或許在不遠的將來，量子電腦將以我們無法想像的速度改變世界，重新定義我們對計算、數據與科技的理解。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《超乎想像的運算力：量子電腦時代來臨，幾件你需要知道的事》
• 作者｜簡鈺璇｜科技大觀園特約編輯
• 審閱｜張慶瑞教授

臺灣大學 IBM 量子電腦中心主任張慶瑞表示，IBM 希望 15 年內讓量子位元數突破千萬，屆時傳統電腦耗費「萬年」才能計算的線性代數難題，量子電腦在數分鐘就可迎刃而解，因此現在密碼學的系統必須調整，立即進入「抗量子」時代。

為什麼「量子電腦」像隻巨獸般無所不能呢？難道它是「超級電腦」的加強版，由更多的位元組成嗎？不是的，傳統電腦和量子電腦是兩種截然不同的資料處理形式。

神秘的量子行為，連愛因斯坦都無法接受 

傳統電腦以位元（bit）的形式處理資料，每一個位元會在兩種狀態中切換， 這兩種狀態被標為 0 和 1；量子電腦則用量子位元（qubit）來做， 它可以 0、1 的線性組合的疊加態。 

量子位元在疊加態（superposition）時，張慶瑞主任表示，假如把位元的位置以球體標示，南、北極位置分別代表 0 和 1，傳統電腦的位元只能在兩極之間切換，但若是量子位元疊加時，它能在二維球面上任何位置，不限於南北極。 

量子電腦的具體表現，可以用「翻硬幣」的量子博弈遊戲來想像，一個黑盒子中有一枚硬幣，你跟電腦輪流去黑盒子裡翻硬幣，你可以選擇翻或不翻，你和電腦都不會知道彼此對硬幣做了什麼，數輪下來，打開盒子如果是人頭朝上就是你勝，反之就是電腦勝。

張慶瑞表示，如果是古典博弈，你跟古典電腦的勝率各是一半一半，因為古典行為只有翻或是不翻，位元只能以 0、1 兩種方式呈現；但量子電腦不一樣，它在黑盒子裡可能不直接翻成正或反面，而可能是將硬幣「轉動」起來，而這個量子轉動，不懂量子策略的人無法察覺。最後，只要你一開蓋觀測，硬幣就會變成反面朝上，量子電腦勝率達百分之百。

這聽起來非常不可思議，對吧！連愛因斯坦也難以接受量子力學，他曾說：「是不是只有當你在看它的時候，月亮才在那裡呢？」這個奇怪問題點出「量子行為過程無法被觀測」的神秘性質。沒有人知道在黑盒子裡，量子電腦到底對硬幣做了什麼事情，量子具體處在什麼位置，只要我們一觀測，量子疊加和糾纏等行為便會消失，量子就恢復古典粒子行為。

「要了解這個現象，恐怕要讀個十幾年物理學了。但現在量子電腦都被製造出來，你不如就接受它、用它吧！」張慶瑞笑著說。 

量子糾纏　帶來雙指數成長的計算能力

量子的神秘力量不只如此，當粒子處於量子狀態時會有糾纏的特性，又稱為「量子糾纏」（quantum entanglement）。如同字面上的意思，「糾纏」指的是數個量子綁在一起成為命運共同體，張慶瑞提到，這就是「你泥中有我，我泥中有你」，彼此的狀態會連動，力量還能夠加乘，同時處理不同於古典電腦的計算。

大家都聽過「摩爾定律」（Moore’s law），指的是積體電路上容納的電晶體數量，每隔兩年便會增長一倍，大致說明電腦運算能力會呈指數型的成長，即 2¹ 、2²、2³ 。不過，張慶瑞表示，纏繞特性會讓量子電腦的計算能力以「雙指數成長」，即 2^2¹、2^2²、2^2³，這是今年Google量子人工智慧實驗室主任 Hartmut Neven 所提出的，又稱為 “Neven Law” ^[註1] 。

去年世界最快超級電腦 Summit 每秒能夠執行 20 億億次（2*10¹⁸）的浮點運算，它的非揮發性記憶體（NVRAM）達 800GB（gigabyte，10億位元組） ^[註2]。但張慶瑞提到，如果能控制量子彼此糾纏，並經過運算的除錯程序，量子電腦就能以 40 個左右邏輯量子位元，達成「兆」位元（10¹²）才有的運算能力，目前一般認為一個有除錯功能的邏輯量子位元，可能需要一千到一萬左右的物理量子位元組成。

「這很難做到！」張慶端表示，目前 IBM 開放 5 個量子位元供大眾使用，只有兩位元糾纏而已，臺大與 IBM 合作可使用 20 個量子位元，也沒有全部位元糾纏。今年十月 IBM 53 個量子位元的新機器即將上線，預計有 16 個量子位元可以直接糾纏 ^[註3] 。 

 張慶端進一步解釋，量子難以糾纏是因為粒子是很難達到量子狀態，即便達到量子狀態，要長時間控制它也不容易，像 IBM 就採超導體材料製造量子位元，並以微波控制位元，但超導體必須在接近絕對零度（-273.15℃）的嚴苛環境下運作，亦有相干狀態壽命短等許多問題待克服，目前各國科學家還在尋求不同方式突破，主要當然政府也砸錢支持才會有突破。

量子電腦的應用：量子通訊、量子金融  

目前世界上量子電腦商業運轉的進程是 IBM 量子電腦 53 位元，去年（2018）Google 發表 72 位元的量子處理器，但並未提供大眾使用。張慶瑞表示，量子電腦至少要 500 位元以上才能逐漸顯現威力，並進入量子優勢的階段。儘管量子電腦離商用還有段距離，不過現階段量子科技已在量子通訊及軟體應用上百花齊放呢！ 

張慶瑞提到，糾纏的量子之間，當一方狀態改變，另一方也會跟著變，所以開發量子網路系統就能增加訊息傳遞效率，因為知道一方的內容，就能得知另外一方的訊息。再者因為量子不可測量的性質，如果以量子作為秘密鑰匙，任何嘗試取得密碼的行為，都會造成量子狀態改變，因此可確保通訊無法被竊聽。

軟體開發以及應用部分正是「臺大 IBM 量子電腦中心」主攻的部分，張慶瑞提到今年在科技部支持下與 IBM 合作成立量子電腦中心，提供臺灣學界連接進入 IBM Q 系統的服務平臺。

目前 IBM 提供 20 個量子位元供臺灣的學術界成員使用，主要著墨的部分有兩類，一是處理基礎物理和化學的計算問題；二則是解決特定問題，尋找最佳解，例如：貨車要跑 100 個地點配送貨品，如何配送最有效率；工廠進出貨如何管理最有效率，金融最佳投資與風險控管等。

「現今 70% 量子電腦相關的新創公司，都只針對一個特定問題來研究與發展量子電腦解決方案。」張慶瑞表示，量子電腦最適合解複雜和大數據的難題，量子人工智慧、量子金融與區塊鏈都是很熱門的題目，

根據 IBM 報告估計，他們期待在 15 年後能進入千萬量子位元時代，也就是有超過 1000 個除錯的邏輯量子位元。屆時不用量子電腦就會喪失競爭力，因此即便現在硬體還不到位，新創公司也要搶奪先機、申請專利。

「我現在常跟大學生開玩笑說，你們及你們的下一代，應該無法脫離量子電腦了！五十歲以上可以不學，但是 20 歲以下必須要立刻開始。」張慶瑞坦言，這兩年大家才驚覺量子電腦的時代即將來臨，但大多並不重視，就如同 1968 年個人電腦剛出現一樣，當時並不知道現在會有人手多機的世界。

在家就能用量子電腦了！跟上前沿科技的第一步 ，從學寫量子電腦程式開始

IBM 在 2016 年就推出 IBM Q5 五位元量子電腦，供大眾在線上體驗量子電腦，在家就可以在 IBM Q Experience上註冊帳號，雲端連線使用它了！

至今全球約有 18 萬名用戶在 IBM 量子電腦上做超過1千萬量子電腦模擬計算，並發表超過 150 篇量子電腦相關文章，台灣目前則有約 50 名用戶 ^[註4] 。不過目前它沒有辦法像現在電腦一樣友善，有各種軟體直接幫你解答，你必須要自己寫程式告訴它：問題是什麼及如何解決問題。

不過，學習量子電腦的程式語言並不會太難，所以全球目前有許多聰明的高中生也在使用。張慶瑞表示，只是你要懂一點物理與數學，又有 Python 的程式語言基礎，把一些量子概念像是 Hadamard gate（H gate）等概念加入程式中，努力就可以學會。

臺大 IBM 量子電腦中心不定期開設量子電腦的入門課程，臺大校內也有選修課，每個月巡迴到臺灣各大學舉辦量子電腦課程。目前正預備辦理高中老師的培訓，希望也能在高中推廣量子計算的應用，培育未來的人才。九月底科技部也與量子電腦中心合辦「 量子電腦導航」，內容包括：量子電腦與其計算原理、量子程式教學、量子邏輯閘初用，大家可以至臺大 IBM 量子電腦中心查詢相關活動。

如果覺得學寫程式太可怕，不妨就下載 IBM 推出的 “Hello Quantum” 的手機遊戲吧！用破關解題的方式，逐步認識量子電腦的運算規則。破關征服它後，說不定你會愛上它。