量子力学是一个极具革命性的理论，它甚至推广了“存在”这一基本概念的含义。比如说考虑两个比特，一种存在的形式是两个比特都处于零态，记为00；另外一种存在的形式是两个比特都处于一态，记为11。这两种形式的存在都是经典形式，很容易得到理解。但我们的世界是一个量子世界，我们世界中的“存在”有更加奇怪的形式。像上面讲的两个比特，它们有一种奇怪的存在形式：两个比特既不是00又不是11，但他们同时既是00又是11。这几乎是不可想象的状态。但两个比特的这种奇怪状态在我们的世界中的确存在。这种形式的存在，就是所谓的“量子纠缠态”。我们用00+11来标记这种纠缠态。如果我们只看一个比特，它可能是零0，也可能是1，完全不确定。但如果我们知道一个量子比特是0，那另外一个量子比特一定也是0；如果一个量子比特是1，那么另外一个量子比特一定也是1。
在我们的宇宙中，这种新形式的存在——量子纠缠——赋予了我们强大的能力(几乎像神一样的能力)。我们可以利用量子纠缠来进行量子计算。如下文所提到的，理论上，量子计算的速度可以是经典计算的万倍、亿倍。还有些科学家认为，量子纠缠是一切物质的本源(见《【华人之光Ⅰ】文小刚（上）：物理学新的革命》)，甚至是时空的本源(见《爱因斯坦不会高兴的：量子纠缠不但真的存在，还可能是时空的本源》)。
——文小刚
物理中的量子化在数学中也产生了革命性的影响。仅在过去的三十多年间，量子群、量子代数、量子上同调以及各种量子不变量在数学中层出不穷，由此产生了许多新的数学理论和数学学科。
——刘克峰
实验室里几十年暗无天日的等待终于换来了越来越多投资者的目光，量子计算机逐渐展露出它的市场价值。
经典计算机通常只能一步一步进行运算。它的基本运算单元称为比特，一个比特代表一个二进制的0或1。当比特做加法或减法运算时又得到一个确定的结果0或1。计算机每时每刻都处在一个由0或1组成的状态。为了提升运算能力，必须让比特运转得更快。比特既指计算的值，又指计算机进行存储操作的元件，概念上稍微有些混淆。每个比特的运算速度取决于计算机处理器或存储器的硬件性能。受物理规律的限制，运算速度会达到某个极限。在量子计算机里，量子比特所处的物理态并不像经典计算机那样有确定的值，这为工程师们留下了创造的空间。通过某些量子效应，人们可以获得一个不代表明确的0或1值的量子比特，量子比特可以突破经典计算机的限制。
世界上一批天才科学家和工程师们在这个领域已经奋斗了几十年。他们使用“量子叠加”和“量子纠缠”来实现量子比特。几个量子纠缠在一起的量子比特构成了可以同时处于多个量子态的量子计算机雏形。这种量子计算机不通过增加运算速度来增强它的运算能力，这使它能突破经典计算机的限制，因而性能比任何经典计算机都强大。最近，谷歌、惠普、IBM和微软都启动了量子计算机商业化的攻坚项目，量子计算的商业化时代即将来临。
量子比特这一术语是从比特延伸出来的。不同于比特，量子比特具有量子不确定性，意味着在被测量前，一个量子比特的值只可以用概率来描述，处于其可能的状态0和1的叠加态，按某一概率量子比特处于其中两个状态之一，而概率可以随时间变化，上升或下降。
量子纠缠产生于量子比特的叠加。对处于纠缠态的其中一个量子比特进行量子操控就可操控所有其他量子比特。量子叠加和量子纠缠这两样东西赋予了量子计算机计算的能力。
实现量子纠缠并非易事。人们需要设计一种装置，在某一个给定的瞬间，可以使量子比特处在量子态所允许的所有可能的状态。目前实验室获得的量子纠缠很容易被诸如热运动引起的粒子振动、介质吸收、耗散等随机行为破坏，所以量子计算机常常需要在接近绝对零度的环境下工作。
人们还需要寻找特殊的算法来开发量子叠加和量子纠缠的计算能力。这些算法可以把需要解决的问题进行分解，把每个量子比特的概率叠加得到概率最大的结果。由麻省理工学院Peter Shor发明的Shor算法就是一个典型的例子。这个算法证明量子计算机可以轻松完成任何非素数的因式分解。大数因式分解对经典计算机来说耗时巨大，几乎是不可能完成的任务，因而现代密码学的加密技术大多依赖于大数因式分解，很多安全专家担心现代密码学会因量子计算机的诞生而彻底崩坏。
目前看来，最有可能实现大数因式分解的量子计算可能是通过在原子水平上对原子状态的精确模拟和量子操控。原子水平上的模拟操控已经被用于医药和化学工业。它大大加快了药物的开发，改善了工业化学合成。比如哈伯合成氨法，又称人工固氮或氨合成技术，通过高温高压下金属催化剂与氢的化学反应把大气中的氮转化为氨，这项技术被广泛用于肥料加工。更好的理解原子世界有助于开发淡水净化技术以及海水吸付二氧化碳的绿色环保技术，遏制全球气候变暖。原子操控也将帮助人们理解超导现象，发明可以在室温下工作的超导体，使电子可以在无能耗的条件下传输。
但量子计算机并不是在任何方面都优于经典计算机的。在下载网页和电脑游戏图形处理上，经典计算机可能表现更好。但在图像语音识别以及实时语言翻译方面，量子计算机会有优势。顺应大数据时代的量子计算机，能从庞杂的由传感器获取的信息，比如病例信息和股市信息中提取有用的部分。未来的财富会流向那些抢滩量子计算的公司。
量子计算机最有可能通过哪种技术实现呢?这正是目前争论的焦点，而核心问题就是量子比特如何实现。
一个量子比特需要包含一个具有两个相对的量子态的物理系统。很多系统可以满足该条件。例如，围绕原子核旋转的外层轨道电子的两个自旋方向就可以是一对量子态。一些科学家建议使用钻石晶格中的氮原子实现量子比特，另一些科学家认为在磁场中固定的钙离子更有前途。还有将量子比特存储在不同的偏振平面上的光子技术，又或者是在介质内振动的准粒子系统也可以形成量子比特，各种技术背后都有支持者。
当前的最佳选项是超导技术。超导量子比特分为三类: 电荷量子比特、相位量子比特和磁通量子比特。可以用超导材料中循环电流的方向实现量子比特，也可以通过定义电荷的有或无实现量子比特。谷歌和IBM都寄希望于这种技术。由超导材料制造的量子比特最大的好处就是可以被安置在现有的计算机的半导体芯片上。两家公司均认为这一点对量子计算机的商业化至关重要。
另一些科学家认为利用光子技术实现量子比特也很容易商业化。这一领域的专家，英国布里斯托大学的Jeremy O’Brien教授指出，计算机行业正越来越多地使用光存储产品，而非传统的电子产品。惠普公司利用穿梭在数据中心之间的光信号进行信息编码和传输，他们也可以利用这一优势开发光量子比特为基础的量子计算机。惠普公司曾经有过一个研究项目——在钻石中的氮原子上实现量子比特，但由于这个项目在商业化道路上困难重重而最终被搁置了。现在，他们与Jeremy O’Brien及其他光量子比特领域的专家密切合作，寻找新的方向。
微软支持的是另一个更加冒险的研究方案。这个项目的负责人是著名数学家、菲尔茨奖得主Michael Freedman。Michael Freedman试图用拓扑学思想来解决量子比特这一难题。拓扑学是关于世界如何在空间和时间上折叠的科学理论。Michael Freedman将采用只能在两个维度上移动的anyons准粒子去制造量子比特。Michael Freedman认为超导方法会因无法较正误码而最终失败。而拓扑学量子计算机，由于空间的折叠，它的量子比特会被屏蔽起来，对误码具有天然的免疫力。但这一方案的困难在于目前实验上还没有发现任何一种可以用做anyons的粒子。
对于非anyons的量子比特能否进行误码校正是实现量子计算所面临的一个关键挑战。过早接近一个量子比特去检测系统是否正常，将破坏系统的量子叠加，而叠加是量子计算的基础。不过目前科学家们好像已经找到了克服这个困难的方法。今年3月，一位去年才加入Google的著名量子物理学家John Martinis，完成了一个包含九个量子比特的装置，它的其中四个比特可以承受多次测量而不破坏其它五个比特，而且这个装置也成功地检测到了比特翻转中出现的差错。这个结果令人激动，因为纠错能力是运算成功的保障。今年4月，IBM的研究小组也在四个量子比特中成功探测到了比特翻转和相位翻转中的误差。这些实验的成功激励着科学家们继续向前迈进。
加拿大的D-Wave 公司(D-Wave Systems, Inc)被视为第一家量子计算机公司。它推出了世界上第一台商用量子计算机。虽然D-WAVE公司推出的量子计算机应用范围非常有限，但在图像搜索方面确实具有优势。谷歌对图像搜索又非常感兴趣，现在双方正在合作进行项目开发。美国国家航空航天局也对D-Wave 公司即将推出的512量子比特的量子计算机表现出了浓厚兴趣，并预定了一台。尽管谷歌研究总监Hartmut Neven拒绝透露过多进展，但他认为D-Wave公司采用的量子退火技术的确是一个解决最优化问题的方法，适用于少量量子比特的量子计算。而John Martinis和他的同事们将开发拥有更多量子比特的设备。
人们在猜测哪种技术将最终胜出的同时也为量子计算机的到来做好了充分的准备，比如讨论如何应对Shor算法对密码学的破坏。
斯诺登透露，美国国家安全局的穿透坚硬目标计划(the Penetrating Hard Targets programme)正在积极研究“是否以及如何建立一台可破解密码的量子计算机”。今年5月，美国政府的情报研究机构(IARPA)开始招标寻求逻辑门量子比特研究领域的合作伙伴，目标是开发强劲的无误码的量子比特。今年4月，荷兰埃因霍温科技大学的Tanja Lange和Daniel Bernstein宣布了PQCRYPTO计划，目的是在“后量子密码”时代寻求合适的技术应对量子计算机对密码术的挑战并规范未来的产品标准。每个国家都担心未来的量子计算机会使现代加密通讯技术完全破产。先下手为强才是王道。
应对量子计算机的加密方法是存在的，但目前它很笨重且非常耗能。PQCRYPTO计划的目标就是要发明一种加密术，可以回避量子计算机擅长的数学计算，同时保留计算方法的精简和优雅。
无论你准备好了没有，量子计算就要来了。像经典计算机一样，起初笨重得只有专业人员才能操作。但也许很快就会有一台台式量子电脑或量子笔记本电脑翻过千难万险来到你的书桌上了!
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