與傳統計算機使用0或1的比特存儲信息不同，量子計算以量子比特作為信息編碼和存儲的基本單位。基於量子力學的疊加原理，壹個量子比特可以同時在0和1兩種狀態下相幹疊加，即可以用來表示0和1兩個數。推而廣之，n個量子位可以表示2n個數的疊加，這樣壹個量子運算原則上可以同時對2n個疊加的數進行並行運算，相當於經典計算機進行2n次運算。因此，量子計算提供了壹種從根本上實現並行計算的思路，有可能大大超過經典計算機的計算能力。
與經典計算機類似，量子計算機也可以遵循圖靈機的框架，通過對量子比特進行可編程邏輯運算，進行壹般的量子運算，從而實現計算能力的大幅提升，甚至是指數級加速。壹個典型的例子就是1994提出的快速素數分解量子算法(Shor算法)。素數分解的計算復雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統安全性的基礎。例如，用每秒運算萬億次的經典計算機分解壹個300位的大數，需要654.38+百萬年以上；而如果使用同樣運算速度的量子計算機，執行Shor算法，只需要1秒。因此，量子計算機壹旦研制成功，將對經典信息安全體系產生巨大沖擊。
量子計算的發展階段
量子計算機的計算能力隨著量子比特的數量呈指數增長，因此量子計算研究的核心任務是多個量子比特的相幹操縱。根據量子比特相幹操縱的規模，國際學術界公認量子計算有以下發展階段:
第壹階段是實現“量子計算的優越性”，即量子計算機的計算能力超過經典超級計算機，達到這個目標需要50個量子比特左右。2019年，Google率先實現了超導電路系統的“量子計算優越性”。我國分別在2020年的光量子系統和2021的超導電路系統實現了“量子計算優勢”。目前，中國是世界上唯壹兩個物理系統都達到這壹裏程碑的國家。
第二階段是實現專用的量子模擬器，即相幹操縱數百個量子比特，應用於組合優化、量子化學、機器學習等具體問題，指導材料設計和藥物研發。達到這個階段需要5到10年，這是目前的主要研究任務。
第三階段是實現可編程的通用量子計算機，即相幹操縱至少數百萬量子比特，在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面可以發揮巨大作用。由於量子比特容易受到環境噪聲的影響而出錯，因此通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是大規模量子比特系統的必然要求和重大挑戰。由於技術上的困難，尚不清楚何時實現通用量子計算機。國際學術界普遍認為需要15年甚至更長時間。
目前正在對有望實現可擴展量子計算的各種物理系統進行系統研究。中國已完成所有重要量子計算系統的研究布局，成為包括歐盟和美國在內的三個布局完整的國家(地區)之壹。
超導量子計算實現趕超
目前，全球超導量子計算研究排名前三的是谷歌公司、IBM公司和中科大。2019，10年6月，在投入巨資研究量子計算超過10年後，Google正式宣布實驗證明了量子計算的優越性。他們用53個超導量子位構建了壹個量子處理器，並將其命名為“Sycamore”。在隨機線抽樣的具體任務中，“懸鈴木”表現出了遠超超級計算機的計算能力。2021年5月，中科大建成了當時世界上量子比特數最多的62位超導量子計算原型“祖沖之”，實現了可編程的二維量子行走。在此基礎上，進壹步實現66位“祖沖之二”。“祖沖之二”具有執行任意量子算法的編程能力，實現了量子隨機線采樣的快速求解。根據目前已經發表的經典優化算法，“祖沖之二”在量子隨機線采樣問題上的處理速度比目前最快的超級計算機快654.38+00萬倍，計算復雜度比Google“懸鈴木”高654.38+00萬倍。
其他系統的量子計算研究
離子、矽基量子點等物理系統也具有多比特擴展和容錯的潛力，也是國際量子計算研究的熱點。我國對離子體系量子計算的研究起步較晚，總體上正在迎頭趕上。國內的優勢研究單位有清華大學、中國科學技術大學、國防科技大學等。，並在離子阱制備、單離子相幹保持時間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計算基礎要素方面積累了大量關鍵技術。我國在矽基量子點的量子計算方向與國際主要研究力量並行。此外，由於拓撲量子計算在容錯方面的優越性，利用拓撲系統實現普適量子計算是國際上壹個重要的長期研究目標。目前國內外都在努力實現單個拓撲量子位“0到1”的突破。
量子計算的未來發展
在實現“量子計算的優越性”的階段性目標後，量子計算未來的發展將集中在兩個方面:壹是繼續提升量子計算的性能。為了實現容錯量子計算，首先要考慮的是如何高精度地擴展量子計算系統的規模。實現量子比特擴展時，比特的數量和質量極其重要，實驗的每壹步(量子態的制備、操縱和測量)都需要保持高精度和低噪聲。隨著量子比特數的增加，噪聲和串擾引起的誤差也隨之增加，這給量子系統的設計、處理和調控帶來了巨大的挑戰，仍然需要大量的科學和工程的協同努力。二是探索量子計算的應用。據預測，未來五年，量子計算有望突破千比特。雖然目前還不能實現容錯的普適量子計算，但科學家希望在有噪量子計算(NISQ)階段探索量子計算在機器學習、量子化學等領域的應用，並形成近期應用。