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量子计算是一种全新的计算范式 ， 有望为人类提供超乎想象的计算能力 ， 从而为各个领域乃至我们日常生活带来极其深远的影响 。 随着一些科技企业巨头的加入 ， 人们似乎能感觉到量子计算机已经距离我们不远了 。 本文试着回答如下几个问题：什么是量子计算？量子计算能干什么？如何实现量子计算？如何用超导体来做量子计算机？我们距离通用量子计算机还有多远？希望读者们读完之后 ， 能够对量子计算有一个正确的认识 ， 合理的期待！
1、我们的感官是牛顿力学的 ， 我们的世界却是量子的
人类大约从6万年前开始认识这个世界：通过眼耳鼻舌身来感知 ， 然后在大脑中建立模型 ， 以便于我们能够适应这个复杂而险恶的星球 ， 世世代代繁衍下来 。
我们身体自然进化出来感官 ， 比如眼睛、耳朵 ， 都是感知宏观物体的 ， 所以当三百多年前牛顿发现力学三定律和万有引力定律之后 ， 人们变得雄心万丈 ， 以为已经找到了撬动地球的那个支点 。 直到一百多年前物理大厦的两朵乌云出现 ， 我们才终于慢慢意识到 ， 现实世界底层其实是量子的 。 而量子现象是违反我们的常识的 。
又经过了一百年 ， 我们对量子操控和测量技术越来约娴熟 ， 终于 ， 科学家们发出了世纪之问：假如量子世界由我做主 ， 我们能做哪些原本不可能的事情呢？——用量子来做计算 ， 就是其中最大胆的一个想法之一 。
2、什么是量子计算？
我们现在使用的电脑、手机和平板等等 ， 最底层的芯片都是由半导体晶体管组成的01电路上 。 在逻辑上 ， 我们将这种有0和1两种状态并且可以在这两种状态之间互相转换的单元称之为比特 。 而为了区别于我们马上要讲的量子比特 ， 我们姑且称它们为“经典比特” 。 现在计算机上运行的所有程序 ， 都是建立在大量的经典比特之上 ， 按照一定的顺序进行各种逻辑门操作 ， 然后给出最终的结果 。 了解了经典计算的基本运行原理之后 ， 理解量子计算就不难了 。 所谓量子计算 ， 就是把经典比特换成量子比特 ， 把经典的逻辑门换成量子的逻辑门 ， 把经典的测量换成量子的测量 。 当然还要把经典的算法换成量子的算法 。 在这样一套基于量子力学基本原理的新体系上产生出来的计算方法 ， 就是量子计算了 。
量子比特量子比特是一个量子的二能级系统 ， 与经典比特相比 ， 它有两个显著的差别 。 首先 ， 一个经典的比特 ， 能够表示的状态数只有两个 ， 0或者1 。 而一个量子的比特 ， 由于量子态可以处于叠加态 ， 因此它实际上可以表示无穷多个状态 。 我们可以把这些状态映射到一个半径为1的球面上 ， 球面上的任何一个点 ， 都代表一种可能存在的状态 。 这个球被称作“Bloch球” ， 为了致敬第一个发明核磁共振技术的物理学家布洛赫（Felix Bloch ， 1905-1983） 。
经典比特（左） vs 量子比特（右）纠缠上面讲的是单个量子比特和经典比特的区别 。 如果是很多的比特 ， 它们还有一个重要区别 ， 就是量子可以纠缠在一起 。 纠缠是一种特别神奇的量子现象 ， 它说的是多个量子系统组成的复合系统可以处在某种“量子关联”态 。 在这些状态下 ， 单看每个粒子我们得不到任何信息 ， 必须把它们合起来看才能获得其中的信息 。 曾经有人打过一个比方：如果是一本经典的书 ， 我们都知道该怎么读 ， 那就是逐句逐页地读完 ， 我们自然就知道里面讲的是什么了 。 但如果这本书是量子的 ， 那情况就大不相同 ， 你翻开每一页看 ， 上面都是乱码 ， 只有把整本书合起来看 ， 你才发现故事藏在书页之间的关联之中 。 我们来看一个具体的例子 。 有两个粒子qubit1和qubit2 ， 它们各自有两个能级 ， 分别标记为g1e1 ， g2e2 。 它们合起来 ， 可以处在这样一个状态 ， 波函数等于g1e2+e1g2 ， 再乘上一个归一化常数
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