要说清楚量子计算机，有必要简单介绍下量子力学的一些核心概念。20世纪最伟大的两大物理学发现，彻底改变了人类社会，这就是相对论及量子力学。没有量子力学就不可能有电子计算机、航空航天、核能导弹等高精尖科技的出现。上世纪，在爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学巨擘（见上图）的科学探索下，揭示了一个完全不同于经典世界的量子世界。在宏观尺度上，我们把遵从牛顿定律的世界称为经典世界，而在微观尺度，我们把各种电子、光子、原子、原子核等基本粒子所处的世界称为量子世界。经典世界无论是物质还是运动，都只能产生一个状态或结果，用已知的参数通过牛顿定律或爱因斯坦相对论可以推到出一个唯一的结果或状态。通过仪器可以很容易检测到物质的相应属性，例如速度、位置、能量等。一辆行使中的汽车，我们可以很容易地精确测量出它的速度、位置，以此可以算出它的动能。在微观的基本粒子世界里，想要精确的测量出某个粒子的速度和位置几乎不可能，要么只能测量出该粒子的位置，要么只能测量出该粒子的速度，而且整体上呈概率分布，这就是海森堡的测不准原理——即在微观世界中，观察者对粒子的状态产生了干扰，不可能得到一个精确的结果，而只能是一个概率分布。
量子世界一个重要特性是量子叠加和量子纠缠。量子叠加指一个粒子可以同时处于不同的叠加态上。著名物理学家薛定谔用一只猫来阐述量子叠加态：在传统世界中，猫只有一种状态，要么是活的，要么是死的。但在量子世界里，猫却可以是既是活的又是死的，半死半活的叠加状态中。量子纠缠指的是：粒子总是成对出现的，一个向上或向左自旋，一个向下或向右自旋，两者无论相距多远，一个粒子的状态改变必然影响另一个粒子的状态，例如改变自旋方向或速度加快，另一个例子也会随着改变状态。这就是量子纠缠，也被称为量子的幽灵超距作用。有些科普文章用“心灵感应”来比喻量子纠缠，这个说法虽然缺乏严谨，但也能够解释量子纠缠的超距作用。量子世界在与经典世界遭遇时，也就是对其观察、测量的时候，量子世界会发生坍塌，多种概率分布在经典世界最后只会出现一个结果，这叫量子坍缩，或“退相干”。也就是说量子的特性会在经典世界消失。量子受环境影响很大，包括热运动、吸收、散射、噪声等，所以量子世界在宏观世界极其不稳定，会在很短的时间内量子特性消失，发生”退相干“。
将量子特性运用于计算，得益于著名的物理学家理查德·费曼在1982年的构想。其后，1994年美国贝尔实验室的专家彼得·肖尔（PeterShor）提出可以采用量子计算破解加密算法。破解一个1024位比特的RSA加密密钥，理论上采用经典计算需要大约500万年，而如果采用量子计算则可以缩短到160天左右，证明量子运算的效率远胜于经典计算。彼得·肖尔第一次让世界看到了量子计算的巨大威力。
传统计算机被称为经典计算，即将电子信号逻辑处理成开或关的状态。无论是传统的电子计算机，或者是人工智能芯片，还是被寄于厚望的光子计算机，其所使用的均是传统的经典计算，在经典计算中，晶体管要么是通电的状态，要么是关闭的，不通电，我们用“开”和”关“来表示，这一理论来自布尔代数。假设关闭状态是0，那么开的状态就是1，每次计算结果要么为0，要么为1。只能有一种结果，不可能既是0又是1。
与传统的经典计算不同，量子计算不再遵从经典世界的规律，在量子世界中，同样是0和1的位运算，可以同时拥有0和1这两种结果，注意这里的“同时拥有”这几个字，刚才说的经典计算只能二选一。之所以量子运算会获得同时拥有2种结果的原因正是由于量子的叠加态。用量子力学著名的薛定谔猫来阐述就是：经典世界中，猫要么是活的，要么是死的，但在量子世界中猫却可以既是活的又是死的状态。
我们把经典计算的二进制称为经典比特或逻辑比特；将量子计算的二进制称为量子比特或物理比特。1个经典比特只能取0或1其中的一种，而1个量子比特却可以同时具有0和1两种取值；2个经典比特可以表示00，01，10，11（即十进制0～3）中的任何一个，2个量子比特却可以同时取这4个值，如果是8个量子比特呢？那就是2的8次方，即256个取值。传统计算机的10个比特只能处理1个10位的二进制数，10个量子比特却能处理2的10次方，即1024个二进制数。这是个什么概念？打个比方，10个量子比特的运算相当于传统的1024台计算机同时运算，这差距秒杀现有一切的计算能力。这还只是10次方，如果是20次方呢，量子计算就相当于经典计算的1048576倍；如果是30次方，量子计算就是经典计算的10亿倍速速度。如果是N次方，那么就是2的N次方倍，目前公开的信息显示，谷歌、IBM、霍尼韦尔等在去年和2020年上半年已经实现53个量子比特，这相当于经典计算的9千万亿倍。并且量子计算还在快速发展，这也就是量子计算相对于经典计算的巨大优势。
更重要的是，经典计算只能是串行的，一次只能处理一个运算，而量子计算则是大规模并行的，可以同时处理多个运算。串行和并行运算可以这么理解：假设我们需要在某个巨大的广场上，需要寻找藏在某个角落里的一根针，传统的串行就是每个区域逐步搜索寻找，其所花费的时间和效率肯定是费时费力；而并行运算就是在所有方向上同时寻找，就好像《西游记》的孙悟空，变出无数个分身，同时从不同方向一起查找，肯定其所花费的时间和效率快很多。值得注意的是，量子计算的并行运算能力是天然的，其来自于自身的量子纠缠特性，并不是人为刻意增加的，这就构成了量子计算的巨大潜力。
量子计算优点很多，但是呢，量子计算的稳定性很差，量子特性在遭遇经典世界瞬间就会发生”坍缩“，不容易维持它的量子特性。由于量子计算机是人造出来的，其所采用的元器件是经典世界的，这就造成量子计算的极不稳定，往往只能持续几毫秒、几十毫秒，这就是”退相干“。为了延长退相干的时间，世界各国相关研究机构、企业采用不同的方案，有离子阱、偏振、核磁共振等，以期实现更长时间的”退相干“。此外，由于量子具有纠缠特性，如何在增加或扩展量子数量的情况下，尽可能的避免来自纠缠的干扰，也是决定量子是否具有可扩展性的前提条件。
量子计算机真正进入大众视野是2010年之后，主要有这么三个原因：
其一，有一部分科技专家意识到摩尔定律即将达到物理极限，于是量子计算自然也就成了技术突破的主攻方向；
其二，2011年5月，加拿大量子计算公司正式发布全球第一台商用型量子计算机“D-Wave
One”，声称采用了128个量子比特的处理器。后来经专家们验证，这台所谓的量子计算机并不能进行通用计算，它只能处理一些很特殊的问题，在某些运算方面，还不如传统的硅芯片计算机。但这次量子原型机的问世，却擦亮了全世界的目光，世界各国相继上马量子计算机项目。
其三，中国潘建伟团队成功实现量子通信和部署量子卫星实验网。量子通信的巨大成功也引起了世界各国对量子相关领域的注意，普遍认为量子时代即将到来。
量子计算最近几年的研发进展
2013年谷歌和全球最大的军火商洛克希德—马丁公司各自购买了一台D-wave，并且预购了D-wave 2，谷歌还与美国航天局（NASA）合作研发量子计算机，此后，各国、各大型企业纷纷闻风而动，陆续投入到量子计算机的研发。
2015年，IBM公司开发出4个量子位芯片，这为量子计算机的发展铺平了道路。谷歌随后发表9个量子位超导芯片。同年，中国杜江峰院士领导的团队研发出世界上首台10个量子位的量子计算机，且逻辑运算准确度达到99.99%，引起全世界的震惊。
IBM Q 量子计算机2017年，IBM宣布研发出16量子比特的量子计算机IBMQ，随后升级到20个量子比特并进入商用。10月，英特尔公司宣布推出17个量子比特的超导芯片，2个月后，英特尔在CES展会上，高调宣布推出已经成功设计、制造和交付49个量子比特的超导测试芯片TangleLake，并且发布样品。11月，IBM宣布推出50个量子比特的量子计算原型机。
2018年，中国华为宣布开放量子计算模拟器HiQ云服务平台，包括HiQ量子计算模拟器与基于模拟器开发的HiQ量子编程框架两个部分。2018年3月，谷歌全球盛大宣布开发出具有72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone，并且将错误率控制在了1%以内。
2019年，国际消费电子展（CES）上，IBM向世人展示了目前全球唯一一台脱离实验室环境运行的量子计算机“IBM Q SystemOne”。
量子计算是最有前景的技术之一，包括一些软件巨头企业也纷纷入局。例如微软，近年来凭着云计算的强势崛起，庞大的软件帝国再次显露出其强大实力，而量子计算关乎下一代科技的制高点，在这场终极角逐中，微软显然不会缺席。2018年3月，微软宣布在操纵量子态的领域中取得重大技术突破：微软的研究人员发现了被称为“天使粒子”的马约拉纳费米子的存在，电子在它们的导线中分裂成半体。微软的研究人员认为这项发现将使得微软的量子计算比谷歌的72个量子比特更具有优势，更具有革命性。因为其成功操纵量子位的技术，将使得这样一个量子比特将会比谷歌等1000个，甚至10000万个量子比特还要强大。因为之前这些公司的量子比特极不稳定，不容易长时间维持，也就达不到量子技术的优势。而通过这项量子操纵技术，则可以完全避免这些难点，令量子技术更稳定更持久。2019年7月，微软更是高调宣布开源量子开发工具包（QDK），这是量子计算领域的首例软件开源。
量子计算机的未来应用场景很多，首先就是密钥安全，加密通信等。量子计算强大的计算能力远胜传统的计算机，传统的密钥体系足以防护现代计算机的破解，本来需要500万年才能破解的传统计算，用量子计算只需要160天。因此，量子计算的出现对公民财产、国家金融、经济和国防安全构成威胁，这些因素也让量子计算成为科技攻关的焦点。其次，量子计算还可以在大型科学仿真、模拟发挥巨大的潜力，通过对气象、地球、生物进化、粒子物理、天文探索、宇宙演化的仿真计算和模拟，可以很快得出相应的结果，这是传统经典计算所不可能完成的任务。例如模仿一个咖啡因分子，它只有95个电子，不算很大的分子，但如果要让电脑模拟它，必须有10的48次方个经典比特，而整个地球也才10的50次方个原子，宇宙也仅10的80次方原子，很显然传统的经典计算无法满足这一要求，量子计算就可以实现类似的科学模拟、仿真。此外量子计算还在制药、化工、交通、人工智能、机器学习、基因工程、合成生物学有着广阔的应用场景。因此，量子计算是下一轮科技革命的引爆点，或者说是“技术奇点“。
（未完，见下篇）