1981年，阿贡国家实验室的物理学家保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)试图设想出一种基本的机器，它的工作原理与普通电脑类似，但要遵循量子物理学的原理。第二年，理查德·费曼粗略地勾勒出一台使用量子原理的机器是如何进行基本计算的。几年后，牛津大学的David Deutsch(量子计算领域的领军人物之一)更详细地描述了量子计算机的理论基础。
这些伟大的科学家是如何想象量子计算机可能工作的呢?量子 计算=量子计算普通计算机位、寄存器、逻辑门、算法等的关键特性在量子计算机中具有类似的特性。量子计算机不是比特，而是量子比特或量子位，它们以一种特别有趣的方式工作。一个量子位可以存储0或1，一个量子位可以存储0、1、0和1，也可以存储介于0和1之间的无穷多个值——并且同时处于多个状态(存储多个值)!如果这听起来让人困惑，那就把光想象成粒子和波同时存在，薛定谔的猫是活的还是死的，或者汽车是自行车和公共汽车。
考虑量子位存储的一种更温和的方法是通过叠加的物理概念(两个波相加，形成包含两个原始波的第三个波)。如果你吹笛子之类的东西，管子里就会充满驻波:由基频(你演奏的基本音符)和许多泛音或谐波(基频的高频倍数)组成的波。管道内的波同时包含所有这些波:它们被加在一起形成一个包含所有这些波的组合波。量子位使用叠加以类似的方式同时表示多个状态(多个数值)。
正如量子计算机可以同时存储多个数字一样，它也可以同时处理多个数字。它可以并行工作(同时做多件事)，而不是串行工作(按顺序一次做一件事)。只有当你试图找出它在任何给定时刻的实际状态时(换句话说，通过测量它)，它才会“折叠”成它可能的状态之一——这就给了你问题的答案。据估计，量子计算机并行工作的能力将使其速度比任何传统计算机快数百万倍。
要是我们能建造它就好了!可是我们应该怎么做呢?量子计算机在现实中会是什么样子?在现实中,量子位必须存储在原子,离子(原子电子过多或过少),或更小的事情如电子和光子(能量包),所以量子计算机是几乎像一种桌面版本的费米实验室或者CERN粒子物理实验。图:单个原子可以被困在一个光学腔内——镜子之间的空间——并由激光束的精确脉冲控制。
实际上，利用激光束、电磁场、无线电波和各种各样的其他技术，有许多可能的方法来包含原子并改变它们的状态。一种方法是用量子点来制造量子位元，量子点是一种纳米尺度的半导体微粒，其中的单个载流子、电子和空穴(缺失的电子)可以被控制。另一种方法使得从所谓的离子量子位陷阱:你添加或带走电子从一个原子离子,拿稳它在一种激光焦点,然后用激光脉冲翻转到不同的区域。
在另一种技术中，量子位元是光学腔(极小的镜子之间的空间)中的光子。如果你不明白，没关系。由于整个量子计算领域在很大程度上仍然是抽象和理论的，我们唯一真正需要知道的是，量子位元是由原子或其他量子尺度的粒子存储的，这些粒子可以以不同的状态存在，并在它们之间进行切换。量子计算机能做普通计算机做不到的事情吗?尽管人们经常认为量子计算机一定会自动地比传统计算机好，但这绝不是肯定的。
到目前为止，我们唯一确定量子计算机比普通计算机做得更好的事情就是因式分解:找到两个未知素数，当它们相乘时，得到第三个已知数。1994年，数学家彼得·肖尔在贝尔实验室工作时，演示了一种量子计算机可以遵循的算法，这种算法可以找到大量数字的“质因数”，这将极大地加快问题的速度。肖尔的算法确实激发了人们对量子计算的兴趣，因为几乎每台现代计算机(以及每一个安全的在线购物和银行网站)都使用公钥加密技术，这种技术基于快速找到主要因素的虚拟不可能性(换句话说，它本质上是一个“棘手”的计算机问题)。
如果量子计算机确实能够快速分解大量数据，那么今天的在线安全可能会被一举淘汰。量子技术将带来更强大的加密形式。(2017年，中国研究人员首次展示了如何利用量子加密技术在北京和维也纳之间进行非常安全的视频通话。)这是否意味着量子计算机比传统计算机更好?不完全是。除了肖尔算法和一种叫做格罗弗算法的搜索方法，几乎没有其他的算法能比量子方法更好地执行。
只要有足够的时间和计算能力，传统计算机最终还是能够解决量子计算机能够解决的任何问题。换句话说，量子计算机总体上优于传统计算机还有待证明，尤其是考虑到实际制造它们的困难。谁知道传统计算机在未来50年将如何发展，量子计算机的想法可能变得无关紧要，甚至荒谬可笑。图:量子点可能是最著名的彩色纳米晶体，但它们也可以在量子计算机中用作量子位元。
