量子計算。
現在，是否發現這樣一個問題？
電腦越小，功能似乎就越強大:21世紀的手機比50年前房間大小的軍用電腦擁有更多的數字處理能力。
然而，儘管取得了如此驚人的進步，仍然有許多複雜的問題，即使是世界上功能最強大的計算機也無法解決，而且也不能保證我們能夠解決這些問題。
一個問題是，被稱為電晶體的計算機的基本開關和儲存單元，現在正接近它們很快就會變成單個原子那麼小的地步。如果我們想要比現在更小更強大的計算機，我們很快就需要用一種完全不同的方式來進行計算。以量子計算的形式進入原子領域開啟了強大的新可能性，處理器的工作速度可能比我們今天使用的處理器快數百萬倍。
聽起來很神奇，但問題是量子計算比傳統計算要複雜得多，而且執行在量子物理的愛麗絲夢遊仙境中，在那裡“經典的”、合理的、日常的物理定律不再適用。
什麼是量子計算?它是如何工作的?
讓我們仔細看看!
圖:量子計算意味著使用單個原子、離子、電子或光子儲存和處理資訊。
從好的方面看，這為更快的計算機打開了可能，但缺點是，設計能夠在量子物理的奇怪世界中執行的計算機的複雜性更大。
你可能認為電腦是放在你腿上的一個小巧玲瓏的小玩意兒，它可以讓你發電子郵件、網上購物、和朋友聊天或玩遊戲——但它的功能遠不止這些。
更重要的是，因為它是一個完全通用的機器:可以讓它做幾乎任何你喜歡的事情。它更小，因為它的內部只是一個非常基本的計算器，遵循一組預先安排好的指令，稱為程式。
就像《綠野仙蹤》(Wizard of Oz)一樣，你眼前看到的那些神奇的東西掩蓋了一些非常平凡的東西。
圖:這是一個典型的無線電電路板上電晶體的樣子。在計算機中，電晶體要比這個小得多，而且數以百萬計的電晶體被封裝在微晶片上。
傳統的計算機有兩個非常好的技巧:它們可以將數字儲存在記憶體中，並且可以透過簡單的數學運算(如加減法)處理儲存的數字。他們可以透過將簡單的操作串在一起組成一個稱為演算法的系列來做更復雜的事情(例如，乘法可以作為一系列加法來完成)。
計算機的兩個關鍵技術——儲存和處理——都是使用一種叫做電晶體的開關來完成的，它就像你牆上用來開關燈的開關的微觀版本。
電晶體可以開或關，就像光可以亮或不亮一樣。如果是開著的，我們可以用電晶體來儲存1 (1);如果關閉，它將儲存一個數字0(0)。長串的1和0可以用來儲存任何數字、字母或符號，使用基於二進位制的程式碼(因此計算機將大寫字母a儲存為1000001，小寫字母a儲存為01100001)。
每個0或1都被稱為二進位制數字(或位)，使用一個由8位組成的字串，您可以儲存255個不同的字元(例如a-z、a-z、0-9和最常見的符號)。計算機透過一種叫做邏輯閘的電路來計算，邏輯閘是由許多連線在一起的電晶體組成的。
邏輯閘比較儲存在稱為暫存器的臨時儲存器中的位的模式，然後將它們轉換成新的位的模式——這相當於我們人類大腦所稱的加法、減法或乘法。在物理術語中，執行特定計算的演算法採用由多個邏輯閘組成的電子電路的形式，一個門的輸出作為下一個門的輸入。
傳統計算機的問題在於它們依賴於傳統電晶體。如果你看看過去幾十年電子技術取得的驚人進步，這聽起來可能不是一個問題。當電晶體在1947年被髮明出來的時候，它所取代的開關(被稱為真空管)只有你拇指那麼大。現在，一種最先進的微處理器(單片計算機)在一塊指甲大小的矽晶片上封裝了數億個(最多300億個)電晶體!像這樣的晶片，被稱為積體電路，是小型化的驚人壯舉。
早在20世紀60年代，英特爾的聯合創始人戈登·摩爾就意識到，計算機的能力在大約18個月的時間裡就翻了一番——從那以後一直如此。這一明顯不可動搖的趨勢被稱為摩爾定律。
圖片: USB快閃記憶體棒上的儲存晶片
這個記憶晶片從一個典型的USB棒包含一個積體電路，可以儲存512兆位元組的資料。這大約是5億個字元(準確地說是536870912個)，每一個都需要8個二進位制數字——所以我們說的是一個郵票大小的區域裡總共有40億個電晶體(4,294,967,296個)!
這聽起來很神奇，確實如此，但它沒有抓住重點。需要儲存的資訊越多，需要儲存的二進位制1和零(以及電晶體)就越多。
由於大多數傳統計算機一次只能做一件事，所以您希望它們解決的問題越複雜，它們需要採取的步驟就越多，所需的時間也就越長。有些計算問題非常複雜，它們需要的計算能力和時間比任何現代機器所能合理提供的都要多；計算機科學家稱這些問題為棘手的問題。
隨著摩爾定律的發展，棘手問題的數量也在減少:計算機變得更強大，我們可以用它們做更多的事情。問題是，電晶體是我們所能製造的最小的:我們已經到了物理定律似乎可以阻止摩爾定律的地步。不幸的是，仍然有一些非常困難的計算問題是我們無法解決的，因為即使是最強大的計算機也發現這些問題很難解決。
這就是為什麼人們現在對量子計算感興趣的原因之一。
量子理論是物理學的一個分支，研究原子及其內部較小的(亞原子)粒子的世界。
你可能認為原子的行為和世界上其他任何東西都是一樣的，以它們自己的微小方式——但那不是真的:在原子尺度上，規則在變化，我們在日常生活中習以為常的“經典”物理定律不再自動適用。
正如20世紀最偉大的物理學家之一理查德·p·費曼(Richard P. Feynman)曾經說過的那樣:“非常小的尺度上的事物，其行為與你的任何直接經驗都不一樣……或者像你所見過的任何東西。”
如果你學過光，你可能已經對量子理論有所瞭解。你可能知道，一束光有時表現得好像它是由粒子組成的(像一股穩定的炮彈流)，有時又好像是能量波在空間中波動(有點像海浪)。這被稱為波粒二象性這是量子理論中的一個概念。
很難理解一個東西可以同時是兩種東西——粒子和波——因為它與我們的日常經驗完全不同:汽車不是同時是腳踏車和公共汽車。然而，在量子理論中，這就是可能發生的瘋狂的事情。
這方面最引人注目的例子是一個叫薛定諤的貓。簡而言之，在量子理論的奇異世界裡，我們可以想象這樣一種情況，這隻貓可以同時活著和死了!
那這一切跟電腦有什麼關係嗎?
假設我們繼續推進摩爾定律——繼續把電晶體做得更小，直到它們不再遵循普通的物理定律(比如老式的電晶體)，而是遵循更奇異的量子力學定律。問題是，以這種方式設計的電腦是否能做我們傳統電腦做不到的事情。如果我們能從數學上預測它們可能會，我們能在實踐中讓它們像那樣工作嗎?
幾十年來，人們一直在問這些問題。IBM研究物理學家Rolf Landauer和Charles H. Bennett是第一批。蘭道爾在20世紀60年代開啟了量子計算的大門，當時他提出資訊是一種可以根據物理定律操縱的物理實體。
這樣做的一個重要後果是，計算機在操作內部的位元時會浪費能量(這也是計算機消耗如此多的能量並變得如此熱的部分原因，儘管它們似乎並沒有做太多事情)。
20世紀70年代，班尼特在蘭道爾研究的基礎上，展示了計算機如何透過“可逆”的方式來繞過這個問題，這意味著量子計算機可以在不消耗大量能量的情況下進行大規模複雜的計算。
1981年，阿貢國家實驗室的物理學家保羅·貝尼奧夫(Paul Benioff)試圖設想出一種基本的機器，它的工作原理與普通電腦類似，但要遵循量子物理學的原理。
第二年，理查德·費曼粗略地勾勒出一臺使用量子原理的機器是如何進行基本計算的。
幾年後，牛津大學的David Deutsch(量子計算領域的領軍人物之一)更詳細地描述了量子計算機的理論基礎。
這些偉大的科學家是如何想象量子計算機可能工作的呢?
普通計算機位、暫存器、邏輯閘、演算法等的關鍵特性在量子計算機中具有類似的特性。量子計算機不是位元，而是量子位元或量子位，它們以一種特別有趣的方式工作。
一個量子位可以儲存0或1，一個量子位可以儲存0、1、0和1，也可以儲存介於0和1之間的無窮多個值——並且同時處於多個狀態(儲存多個值)!
如果這聽起來讓人困惑，那就把光想象成粒子和波同時存在，薛定諤的貓是活的還是死的，或者汽車是腳踏車和公共汽車。考慮量子位儲存的一種更溫和的方法是透過疊加的物理概念(兩個波相加，形成包含兩個原始波的第三個波)。
如果你吹笛子之類的東西，管子裡就會充滿駐波:由基頻(你演奏的基本音符)和許多泛音或諧波(基頻的高頻倍數)組成的波。管道內的波同時包含所有這些波:它們被加在一起形成一個包含所有這些波的組合波。量子位使用疊加以類似的方式同時表示多個狀態(多個數值)。
正如量子計算機可以同時儲存多個數字一樣，它也可以同時處理多個數字。它可以並行工作(同時做多件事)，而不是序列工作(按順序一次做一件事)。只有當你試圖找出它在任何給定時刻的實際狀態時(換句話說，透過測量它)，它才會“摺疊”成它可能的狀態之一——這就給了你問題的答案。
據估計，量子計算機並行工作的能力將使其速度比任何傳統計算機快數百萬倍。要是我們能建造它就好了!可是我們應該怎麼做呢?
在現實中,量子位必須儲存在原子,離子(原子電子過多或過少),或更小的事情如電子和光子(能量包),所以量子計算機是幾乎像一種桌面版本的費米實驗室或者CERN粒子物理實驗。
圖:單個原子可以被困在一個光學腔內——鏡子之間的空間——並由鐳射束的精確脈衝控制。
實際上，利用鐳射束、電磁場、無線電波和各種各樣的其他技術，有許多可能的方法來包含原子並改變它們的狀態。
一種方法是用量子點來製造量子位元，量子點是一種奈米尺度的半導體微粒，其中的單個載流子、電子和空穴(缺失的電子)可以被控制。
另一種方法使得從所謂的離子量子位陷阱:你新增或帶走電子從一個原子離子,拿穩它在一種鐳射焦點,然後用鐳射脈衝翻轉到不同的區域。
在另一種技術中，量子位元是光學腔(極小的鏡子之間的空間)中的光子。
如果你不明白，沒關係。由於整個量子計算領域在很大程度上仍然是抽象和理論的，我們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儲存的，這些粒子可以以不同的狀態存在，並在它們之間進行切換。
儘管人們經常認為量子計算機一定會自動地比傳統計算機好，但這絕不是肯定的。
到目前為止，我們唯一確定量子計算機比普通計算機做得更好的事情就是因式分解:找到兩個未知素數，當它們相乘時，得到第三個已知數。
1994年，數學家彼得·肖爾在貝爾實驗室工作時，演示了一種量子計算機可以遵循的演算法，這種演算法可以找到大量數字的“質因數”，這將極大地加快問題的速度。
肖爾的演算法確實激發了人們對量子計算的興趣，因為幾乎每臺現代計算機(以及每一個安全的線上購物和銀行網站)都使用公鑰加密技術，這種技術基於快速找到主要因素的虛擬不可能性(換句話說，它本質上是一個“棘手”的計算機問題)。
如果量子計算機確實能夠快速分解大量資料，那麼今天的線上安全可能會被一舉淘汰。量子技術將帶來更強大的加密形式。
(2017年，中國研究人員首次展示瞭如何利用量子加密技術在北京和維也納之間進行非常安全的影片通話。)
不完全是。
除了肖爾演算法和一種叫做格羅弗演算法的搜尋方法，幾乎沒有其他的演算法能比量子方法更好地執行。
只要有足夠的時間和計算能力，傳統計算機最終還是能夠解決量子計算機能夠解決的任何問題。換句話說，量子計算機總體上優於傳統計算機還有待證明，尤其是考慮到實際製造它們的困難。誰知道傳統計算機在未來50年將如何發展，量子計算機的想法可能變得無關緊要，甚至荒謬可笑。
圖:量子點可能是最著名的彩色奈米晶體，但它們也可以在量子計算機中用作量子位元。
在量子計算機首次被提出30年後，它在很大程度上仍停留在理論階段。儘管如此，在實現量子機器方面已經取得了一些令人鼓舞的進展。
2000年有兩個令人印象深刻的突破。首先，Isaac Chuang(現在是麻省理工學院的教授，但當時在IBM的Almaden研究中心工作)用五個氟原子製造了一臺粗糙的五量子位量子計算機。
同年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的研究人員想出了用一滴液體制造7量子位元機器的方法。五年後，因斯布魯克大學(University of Innsbruck)的研究人員增加了一個額外的量子位元，並製造出第一臺可以操縱一個量子位元(8個量子位元)的量子計算機。
這些都是試探性的但重要的第一步。在接下來的幾年裡，研究人員宣佈了更多雄心勃勃的實驗，逐步增加了更多的量子位元。到2011年，加拿大一家名為D-Wave Systems的先鋒公司在《自然》雜誌上宣佈，它已經制造出一臺128量位元的機器;事實證明，這一宣告極具爭議，對於該公司的機器是否真的表現出量子行為，也存在很多爭論。
三年後，谷歌宣佈它正在僱傭一個學者團隊(包括加州大學聖巴巴拉分校的物理學家約翰·馬提尼斯)開發基於D-Wave方法的量子計算機。
2015年3月，谷歌團隊宣佈他們“離量子計算又近了一步”，已經開發出一種新的量子位元檢測和防止錯誤的方法。
2016年，麻省理工學院的艾薩克·莊(Isaac Chuang)和因斯布魯克大學(University of Innsbruck)的科學家們推出了一款5量子位的離子陷阱量子計算機，可以計算15的因數;
總有一天，這臺機器的升級版可能會發展成為長期承諾的、功能齊全的加密破解工具。毫無疑問，這些都是非常重要的進步。而且量子技術最終將帶來一場計算革命的跡象也越來越令人鼓舞。
2017年12月，微軟釋出了一套完整的量子開發工具包，其中包括一種專門為量子應用程式開發的新計算機語言Q#。
2018年初，D-wave宣佈計劃開始向雲計算平臺推廣量子能量。幾周後，谷歌宣佈了Bristlecone，這是一種基於72量子位陣列的量子處理器，有一天，它可能會成為量子計算機的基石，解決現實世界中的問題。都非常激動人心!
儘管如此，整個領域還處於早期階段，大多數研究人員都認為，我們不太可能看到實用的量子計算機在幾年內出現，更有可能出現幾十年。
在這之前我們要達到這一里程碑還有許多技術難題有待解決，我們共同努力。
量子計算。
現在，是否發現這樣一個問題？
電腦越小，功能似乎就越強大:21世紀的手機比50年前房間大小的軍用電腦擁有更多的數字處理能力。
然而，儘管取得了如此驚人的進步，仍然有許多複雜的問題，即使是世界上功能最強大的計算機也無法解決，而且也不能保證我們能夠解決這些問題。
一個問題是，被稱為電晶體的計算機的基本開關和儲存單元，現在正接近它們很快就會變成單個原子那麼小的地步。如果我們想要比現在更小更強大的計算機，我們很快就需要用一種完全不同的方式來進行計算。以量子計算的形式進入原子領域開啟了強大的新可能性，處理器的工作速度可能比我們今天使用的處理器快數百萬倍。
聽起來很神奇，但問題是量子計算比傳統計算要複雜得多，而且執行在量子物理的愛麗絲夢遊仙境中，在那裡“經典的”、合理的、日常的物理定律不再適用。
什麼是量子計算?它是如何工作的?
讓我們仔細看看!
圖:量子計算意味著使用單個原子、離子、電子或光子儲存和處理資訊。
從好的方面看，這為更快的計算機打開了可能，但缺點是，設計能夠在量子物理的奇怪世界中執行的計算機的複雜性更大。
什麼是傳統計算?你可能認為電腦是放在你腿上的一個小巧玲瓏的小玩意兒，它可以讓你發電子郵件、網上購物、和朋友聊天或玩遊戲——但它的功能遠不止這些。
更重要的是，因為它是一個完全通用的機器:可以讓它做幾乎任何你喜歡的事情。它更小，因為它的內部只是一個非常基本的計算器，遵循一組預先安排好的指令，稱為程式。
就像《綠野仙蹤》(Wizard of Oz)一樣，你眼前看到的那些神奇的東西掩蓋了一些非常平凡的東西。
圖:這是一個典型的無線電電路板上電晶體的樣子。在計算機中，電晶體要比這個小得多，而且數以百萬計的電晶體被封裝在微晶片上。
傳統的計算機有兩個非常好的技巧:它們可以將數字儲存在記憶體中，並且可以透過簡單的數學運算(如加減法)處理儲存的數字。他們可以透過將簡單的操作串在一起組成一個稱為演算法的系列來做更復雜的事情(例如，乘法可以作為一系列加法來完成)。
計算機的兩個關鍵技術——儲存和處理——都是使用一種叫做電晶體的開關來完成的，它就像你牆上用來開關燈的開關的微觀版本。
電晶體可以開或關，就像光可以亮或不亮一樣。如果是開著的，我們可以用電晶體來儲存1 (1);如果關閉，它將儲存一個數字0(0)。長串的1和0可以用來儲存任何數字、字母或符號，使用基於二進位制的程式碼(因此計算機將大寫字母a儲存為1000001，小寫字母a儲存為01100001)。
每個0或1都被稱為二進位制數字(或位)，使用一個由8位組成的字串，您可以儲存255個不同的字元(例如a-z、a-z、0-9和最常見的符號)。計算機透過一種叫做邏輯閘的電路來計算，邏輯閘是由許多連線在一起的電晶體組成的。
邏輯閘比較儲存在稱為暫存器的臨時儲存器中的位的模式，然後將它們轉換成新的位的模式——這相當於我們人類大腦所稱的加法、減法或乘法。在物理術語中，執行特定計算的演算法採用由多個邏輯閘組成的電子電路的形式，一個門的輸出作為下一個門的輸入。
傳統計算機的問題在於它們依賴於傳統電晶體。如果你看看過去幾十年電子技術取得的驚人進步，這聽起來可能不是一個問題。當電晶體在1947年被髮明出來的時候，它所取代的開關(被稱為真空管)只有你拇指那麼大。現在，一種最先進的微處理器(單片計算機)在一塊指甲大小的矽晶片上封裝了數億個(最多300億個)電晶體!像這樣的晶片，被稱為積體電路，是小型化的驚人壯舉。
早在20世紀60年代，英特爾的聯合創始人戈登·摩爾就意識到，計算機的能力在大約18個月的時間裡就翻了一番——從那以後一直如此。這一明顯不可動搖的趨勢被稱為摩爾定律。
圖片: USB快閃記憶體棒上的儲存晶片
這個記憶晶片從一個典型的USB棒包含一個積體電路，可以儲存512兆位元組的資料。這大約是5億個字元(準確地說是536870912個)，每一個都需要8個二進位制數字——所以我們說的是一個郵票大小的區域裡總共有40億個電晶體(4,294,967,296個)!
這聽起來很神奇，確實如此，但它沒有抓住重點。需要儲存的資訊越多，需要儲存的二進位制1和零(以及電晶體)就越多。
由於大多數傳統計算機一次只能做一件事，所以您希望它們解決的問題越複雜，它們需要採取的步驟就越多，所需的時間也就越長。有些計算問題非常複雜，它們需要的計算能力和時間比任何現代機器所能合理提供的都要多；計算機科學家稱這些問題為棘手的問題。
隨著摩爾定律的發展，棘手問題的數量也在減少:計算機變得更強大，我們可以用它們做更多的事情。問題是，電晶體是我們所能製造的最小的:我們已經到了物理定律似乎可以阻止摩爾定律的地步。不幸的是，仍然有一些非常困難的計算問題是我們無法解決的，因為即使是最強大的計算機也發現這些問題很難解決。
這就是為什麼人們現在對量子計算感興趣的原因之一。
什麼是量子計算?量子理論是物理學的一個分支，研究原子及其內部較小的(亞原子)粒子的世界。
你可能認為原子的行為和世界上其他任何東西都是一樣的，以它們自己的微小方式——但那不是真的:在原子尺度上，規則在變化，我們在日常生活中習以為常的“經典”物理定律不再自動適用。
正如20世紀最偉大的物理學家之一理查德·p·費曼(Richard P. Feynman)曾經說過的那樣:“非常小的尺度上的事物，其行為與你的任何直接經驗都不一樣……或者像你所見過的任何東西。”
如果你學過光，你可能已經對量子理論有所瞭解。你可能知道，一束光有時表現得好像它是由粒子組成的(像一股穩定的炮彈流)，有時又好像是能量波在空間中波動(有點像海浪)。這被稱為波粒二象性這是量子理論中的一個概念。
很難理解一個東西可以同時是兩種東西——粒子和波——因為它與我們的日常經驗完全不同:汽車不是同時是腳踏車和公共汽車。然而，在量子理論中，這就是可能發生的瘋狂的事情。
這方面最引人注目的例子是一個叫薛定諤的貓。簡而言之，在量子理論的奇異世界裡，我們可以想象這樣一種情況，這隻貓可以同時活著和死了!
那這一切跟電腦有什麼關係嗎?
假設我們繼續推進摩爾定律——繼續把電晶體做得更小，直到它們不再遵循普通的物理定律(比如老式的電晶體)，而是遵循更奇異的量子力學定律。問題是，以這種方式設計的電腦是否能做我們傳統電腦做不到的事情。如果我們能從數學上預測它們可能會，我們能在實踐中讓它們像那樣工作嗎?
幾十年來，人們一直在問這些問題。IBM研究物理學家Rolf Landauer和Charles H. Bennett是第一批。蘭道爾在20世紀60年代開啟了量子計算的大門，當時他提出資訊是一種可以根據物理定律操縱的物理實體。
這樣做的一個重要後果是，計算機在操作內部的位元時會浪費能量(這也是計算機消耗如此多的能量並變得如此熱的部分原因，儘管它們似乎並沒有做太多事情)。
20世紀70年代，班尼特在蘭道爾研究的基礎上，展示了計算機如何透過“可逆”的方式來繞過這個問題，這意味著量子計算機可以在不消耗大量能量的情況下進行大規模複雜的計算。
1981年，阿貢國家實驗室的物理學家保羅·貝尼奧夫(Paul Benioff)試圖設想出一種基本的機器，它的工作原理與普通電腦類似，但要遵循量子物理學的原理。
第二年，理查德·費曼粗略地勾勒出一臺使用量子原理的機器是如何進行基本計算的。
幾年後，牛津大學的David Deutsch(量子計算領域的領軍人物之一)更詳細地描述了量子計算機的理論基礎。
這些偉大的科學家是如何想象量子計算機可能工作的呢?
量子+計算=量子計算普通計算機位、暫存器、邏輯閘、演算法等的關鍵特性在量子計算機中具有類似的特性。量子計算機不是位元，而是量子位元或量子位，它們以一種特別有趣的方式工作。
一個量子位可以儲存0或1，一個量子位可以儲存0、1、0和1，也可以儲存介於0和1之間的無窮多個值——並且同時處於多個狀態(儲存多個值)!
如果這聽起來讓人困惑，那就把光想象成粒子和波同時存在，薛定諤的貓是活的還是死的，或者汽車是腳踏車和公共汽車。考慮量子位儲存的一種更溫和的方法是透過疊加的物理概念(兩個波相加，形成包含兩個原始波的第三個波)。
如果你吹笛子之類的東西，管子裡就會充滿駐波:由基頻(你演奏的基本音符)和許多泛音或諧波(基頻的高頻倍數)組成的波。管道內的波同時包含所有這些波:它們被加在一起形成一個包含所有這些波的組合波。量子位使用疊加以類似的方式同時表示多個狀態(多個數值)。
正如量子計算機可以同時儲存多個數字一樣，它也可以同時處理多個數字。它可以並行工作(同時做多件事)，而不是序列工作(按順序一次做一件事)。只有當你試圖找出它在任何給定時刻的實際狀態時(換句話說，透過測量它)，它才會“摺疊”成它可能的狀態之一——這就給了你問題的答案。
據估計，量子計算機並行工作的能力將使其速度比任何傳統計算機快數百萬倍。要是我們能建造它就好了!可是我們應該怎麼做呢?
量子計算機在現實中會是什麼樣子?在現實中,量子位必須儲存在原子,離子(原子電子過多或過少),或更小的事情如電子和光子(能量包),所以量子計算機是幾乎像一種桌面版本的費米實驗室或者CERN粒子物理實驗。
圖:單個原子可以被困在一個光學腔內——鏡子之間的空間——並由鐳射束的精確脈衝控制。
實際上，利用鐳射束、電磁場、無線電波和各種各樣的其他技術，有許多可能的方法來包含原子並改變它們的狀態。
一種方法是用量子點來製造量子位元，量子點是一種奈米尺度的半導體微粒，其中的單個載流子、電子和空穴(缺失的電子)可以被控制。
另一種方法使得從所謂的離子量子位陷阱:你新增或帶走電子從一個原子離子,拿穩它在一種鐳射焦點,然後用鐳射脈衝翻轉到不同的區域。
在另一種技術中，量子位元是光學腔(極小的鏡子之間的空間)中的光子。
如果你不明白，沒關係。由於整個量子計算領域在很大程度上仍然是抽象和理論的，我們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儲存的，這些粒子可以以不同的狀態存在，並在它們之間進行切換。
量子計算機能做普通計算機做不到的事情嗎?儘管人們經常認為量子計算機一定會自動地比傳統計算機好，但這絕不是肯定的。
到目前為止，我們唯一確定量子計算機比普通計算機做得更好的事情就是因式分解:找到兩個未知素數，當它們相乘時，得到第三個已知數。
1994年，數學家彼得·肖爾在貝爾實驗室工作時，演示了一種量子計算機可以遵循的演算法，這種演算法可以找到大量數字的“質因數”，這將極大地加快問題的速度。
肖爾的演算法確實激發了人們對量子計算的興趣，因為幾乎每臺現代計算機(以及每一個安全的線上購物和銀行網站)都使用公鑰加密技術，這種技術基於快速找到主要因素的虛擬不可能性(換句話說，它本質上是一個“棘手”的計算機問題)。
如果量子計算機確實能夠快速分解大量資料，那麼今天的線上安全可能會被一舉淘汰。量子技術將帶來更強大的加密形式。
(2017年，中國研究人員首次展示瞭如何利用量子加密技術在北京和維也納之間進行非常安全的影片通話。)
這是否意味著量子計算機比傳統計算機更好?不完全是。
除了肖爾演算法和一種叫做格羅弗演算法的搜尋方法，幾乎沒有其他的演算法能比量子方法更好地執行。
只要有足夠的時間和計算能力，傳統計算機最終還是能夠解決量子計算機能夠解決的任何問題。換句話說，量子計算機總體上優於傳統計算機還有待證明，尤其是考慮到實際製造它們的困難。誰知道傳統計算機在未來50年將如何發展，量子計算機的想法可能變得無關緊要，甚至荒謬可笑。
圖:量子點可能是最著名的彩色奈米晶體，但它們也可以在量子計算機中用作量子位元。
量子計算機還有多遠?在量子計算機首次被提出30年後，它在很大程度上仍停留在理論階段。儘管如此，在實現量子機器方面已經取得了一些令人鼓舞的進展。
2000年有兩個令人印象深刻的突破。首先，Isaac Chuang(現在是麻省理工學院的教授，但當時在IBM的Almaden研究中心工作)用五個氟原子製造了一臺粗糙的五量子位量子計算機。
同年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的研究人員想出了用一滴液體制造7量子位元機器的方法。五年後，因斯布魯克大學(University of Innsbruck)的研究人員增加了一個額外的量子位元，並製造出第一臺可以操縱一個量子位元(8個量子位元)的量子計算機。
這些都是試探性的但重要的第一步。在接下來的幾年裡，研究人員宣佈了更多雄心勃勃的實驗，逐步增加了更多的量子位元。到2011年，加拿大一家名為D-Wave Systems的先鋒公司在《自然》雜誌上宣佈，它已經制造出一臺128量位元的機器;事實證明，這一宣告極具爭議，對於該公司的機器是否真的表現出量子行為，也存在很多爭論。
三年後，谷歌宣佈它正在僱傭一個學者團隊(包括加州大學聖巴巴拉分校的物理學家約翰·馬提尼斯)開發基於D-Wave方法的量子計算機。
2015年3月，谷歌團隊宣佈他們“離量子計算又近了一步”，已經開發出一種新的量子位元檢測和防止錯誤的方法。
2016年，麻省理工學院的艾薩克·莊(Isaac Chuang)和因斯布魯克大學(University of Innsbruck)的科學家們推出了一款5量子位的離子陷阱量子計算機，可以計算15的因數;
總有一天，這臺機器的升級版可能會發展成為長期承諾的、功能齊全的加密破解工具。毫無疑問，這些都是非常重要的進步。而且量子技術最終將帶來一場計算革命的跡象也越來越令人鼓舞。
2017年12月，微軟釋出了一套完整的量子開發工具包，其中包括一種專門為量子應用程式開發的新計算機語言Q#。
2018年初，D-wave宣佈計劃開始向雲計算平臺推廣量子能量。幾周後，谷歌宣佈了Bristlecone，這是一種基於72量子位陣列的量子處理器，有一天，它可能會成為量子計算機的基石，解決現實世界中的問題。都非常激動人心!
儘管如此，整個領域還處於早期階段，大多數研究人員都認為，我們不太可能看到實用的量子計算機在幾年內出現，更有可能出現幾十年。
在這之前我們要達到這一里程碑還有許多技術難題有待解決，我們共同努力。