量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機是一個多學科交叉融合的產(chǎn)物。^[1]

　　計算機將人類從煩瑣而枯燥的計算中解脫出來，構(gòu)成了遍布全球的因特網(wǎng)，拉近了人和人之間的距離，給我們的社會帶來了翻天覆地的變化。但是今天看到一臺臺擺在桌子上、拎在手中的微型計算機，它的過去和未來都是難以想象的150年前，第一批計算機問世，每臺都有一問屋子大；到今天，有了奔騰系列的更新?lián)Q代，運算速度更是以指數(shù)上升，但仍難以滿足大規(guī)模高速度的運算要求。例如，用現(xiàn)在的集成電路式的傳統(tǒng)計算機去給一個400位的數(shù)字分解因式，將需要十億年的時間。人們都在思考、盼望下一代計算機，它到底在哪里?近十幾年研究的量子計算機掀起了新一輪的計算機革命，它只需一年就可完成上述任務，效率是今天的十億倍。

　　1982年，諾貝爾獎獲得者——物理學家Richand Feynman想出了“量子計算機”的概念，那：是一種利用量子機械的影響作為優(yōu)勢的計算機。有一段時間，”量子計算機”的想法主要僅僅停留在理論興趣階段，但最近的發(fā)展令這個想法引起了每一個人的注意。其中一個進步就是一種在量子計算機上計算大量數(shù)據(jù)的算法的發(fā)明，由Peter Shot(貝爾實驗室)設計。通過使用這種算法，一臺量子計算機破解密碼可以比任何普通f典型)計算機都要快。事實上，一臺能夠?qū)崿F(xiàn)Shor算法的量子計算機能夠在大約幾秒內(nèi)破解當今任何密碼技術(shù)。在這種算法的推動下，量子計算機的話題開始集中在動力上，全世界的研究人員都爭當?shù)谝粋€制造出實用量子計算機的人。

　　目前的計算機是通過控制位、二進制數(shù)字來實現(xiàn)的，二進制，每一位代表了0或1，在現(xiàn)實世界中(如電子開關(guān)的開和關(guān)，某物在某地或者不在某地等等這樣的兩種狀態(tài))可以分別用計算機中的0和1來表征。但是，量子計算機并沒有被經(jīng)典物理世界所限制。量子計算機是以量子態(tài)作為信息的載體，信息單位是量子比特，是兩個正交量子態(tài)的任意疊加態(tài)來實現(xiàn)信息的量子化。簡單地講，量子計算機依賴于對量子位或者說量比特(qubit)，量子位等同于昆比特)的觀察，量子位可能代表了一個0或者一個1，也可能代表了二者的結(jié)合，或者可能代表了在0和1之間的一種狀態(tài)。為什么研究者們?nèi)绱伺Φ叵Ｍ兄瞥鲆慌_實際的量子計算機呢?這里有幾個原因：首先，原子改變能量狀態(tài)極快——比現(xiàn)在最快的計算機處理器(CPU)都要快得多。其次，考慮到問題的類型，每個qubit能代替一個完備的處理器——這意味著1000個鋇離子能代替一個有1000個處理器的計算機?，F(xiàn)在的關(guān)鍵問題是要找到量子計算機能夠解決的合適問題。如果試圖把量子計算機做成適合日常使用的放在我們桌面上的計算機是不太現(xiàn)實的，因為它們不是很適合做類似文字處理和收發(fā)E-mail的工作。另一方面，大規(guī)模的加密術(shù)是量子計算的很好思路。另外，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的建模和檢索也是量子計算機能勝任的工作。正是為了這些大規(guī)模的應用，科學家們才堅持對量子計算機的研究。

　　早期的量子計算機實際上是用量子力學語言描述的經(jīng)典計算機，并沒有用到量子力學的本質(zhì)特性(如量子態(tài)的疊加性和相干性)。在經(jīng)典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上．而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后進行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充。在數(shù)學形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。

　　迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等?，F(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對于電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機(如光計算機和生物計算機等)的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算機無法解決的問題。

　　量子計算機的研究為信息技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑。量子計算機的作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算機無法解決的問題。如前所述，與經(jīng)典計算機相比，量子計算機最重要的優(yōu)越性體現(xiàn)在量子并行計算上。量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作也是經(jīng)典計算機無法勝任的。目前，研究人員正在加快步伐制造量子計算機。如果一臺實際的量子計算機研制成功并投入應用，計算機的應用得到全新的改變。首先，原子改變能量狀態(tài)極快——比現(xiàn)在最快的計算機處理器(CPU)都要快得多。其次，考慮到問題的類型，每個qubit能代替一個完備的處理器——這意味著1000個鋇離子能代替一個有1000個處理器的計算機。另一方面，大規(guī)模的加密術(shù)是量子計算的很好思路，另外，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的建模和檢索也是量子計算機能勝任的工作。業(yè)已證明，量子計算機可以攻破現(xiàn)在廣泛使用的公開密鑰RSA體系，量子密碼原則上可提供不可竊算等優(yōu)點，預計量子信息技術(shù)在本世紀將發(fā)揮重要作用。聽、不可破譯的保密通信，量子通信網(wǎng)絡具有安全、多端計算等優(yōu)點 ，預計量子信息技術(shù)在本世 紀將 發(fā)揮重要作用 。