2017年发生的最重大的科技事件之一莫过于谷歌公司研制的人工智能AlphaGo在围棋上打败人类最优秀棋手。围棋曾被誉为是人类智慧最后的堡垒，多年前，电子计算机在其他各种棋类中逐渐打败人类棋手，只有在围棋上人类一直占据绝对的优势。围棋，这一最为古老而又最为复杂的棋类运动，包含着古老中国的哲学智慧的棋类运动，终于没能守住最后的荣耀，被人工智能所攻占。而之所以这样，主要得益于深度学习的新型算法，这一算法大大加快了电子计算机的计算速度和学习速度。即使如此，深度学习依然是基于传统计算机，如果和我们接下来要介绍的量子计算机相比，也会大大逊色。
ABC计算机(Atanasoff–Berry Computer)是世界上第一台电子计算设备，被认为是世界上第一台电子计算机。这台计算机只能用来求解线性方程组，而不能用来编程，但是它开创了现代计算机中最重要的元素--二进制和电子开关，并于1942年成功进行测试。
ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)计算机于1946年公布，是世界上第一台通用计算机，它能够用来重新编程，并用来求解各种计算问题。同时，它也以它巨大的体积而闻名--重达30吨，占地167平方米，功率达到150千瓦。甚至有传言说，当ENIAC启动的时候，它的所在地全城的灯都会变暗。
从占地167平方米的巨无霸计算机到我们现在使用的台式电脑、笔记本电脑，仅仅过去70年。早期的计算机采用的是电子管，ENIAC计算机采用了18000个电子管。随着晶体管和集成电的发明以及大规模应用，电子计算机逐渐采用大规模集成电，这使得电子计算机的性能大大提高，体积和功耗也都迅速缩小。
晶体管技术的发展直接推动了现代文明的进程，使得人类进入了以微电子技术、通信技术、计算机技术和网络技术为核心的信息化时代。摩尔早在1965年就预言单个集成电上的晶体管数目将以每两年翻一番的速度发展，后来他又把翻一番的时间周期调整为18个月，这就是著名的摩尔定律。摩尔定律提出时，单个芯片上的晶体管数目仅为30个，时至今日，单个芯片上的晶体管数目已经达到上亿个，单个晶体管的尺寸小到数十纳米。现代半导体微电子技术也正在迅速逼近物理极限。
随着单个晶体管尺寸越来越小，它携带的电子数目也越来越小，当器件上只有少数几个电子的时候，量子效应成为电子运动的定律，人们将失去按照传统方式控制电子的能力，传统控制方式仍然是依靠电子在电场中的定向运动。而量子效应的计算机，将成为后摩尔时代最具竞争力的新技术。
计算机的基本原理，就是信息的输入、处理和输出。传统计算机的信息载体，是比特(0和1)。比特是传统计算机最小的信息单元。1代表的是电的开，0代表的是电的关，信息的内容是按照某种预先设定好的规则排列的一串二进制0、1序列来标识的。传统的逻辑电的重要特点就此即彼，即所谓的确定性。同一时刻，一个比特只能是确定的1或者0，不能同时拥有两种状态。假如有两个比特，这两个比特可能存在4种状态，即(00)、(01)、(10)和(11)，但某一时刻，传统比特只能拥有其中一种确定的状态。因此，当它处理信息的时候，就要一个状态一个状态轮流来试(串行)。
而在量子计算机中，主导的规律是量子论，量子论最重要的就是态叠加原理，也就是量子纠缠，最著名的思想实验就是薛定谔的猫。薛定谔的猫是这样一个思想实验，假设在一个密闭的里有一只猫、一瓶装有开关的毒气和一个装有少量放射性物质的盖格计数器。在1小时内，放射性物质至少有一个原子核发生衰变的概率是50%，而没有原子核发生衰变的概率也为50%。当原子核发生衰变时，盖格计数器计数放电，打开毒气开关，猫会被毒死;如果原子核不发生衰变，则猫会活着。在我们打开盒子之前，我们永远不会知道猫的死活。所以，此时猫既是死的也是活的，这就是纠缠态或者说叠加态;而一旦我们打开盒子，则只能看到一种状态，活的猫或者死的猫，而观察就是所谓的测量，也就是测量会带来纠缠态的塌缩，从纠缠态塌缩到本征态。测量问题是量子力学的本题。基于态叠加原理，在量子计算机中，信息的载体是量子比特。一个量子比特处于0和1的叠加态，也就是同时具有传统比特的两种状态;两个量子比特则同时拥有(00)、(01)、(10)和(11)四种状态，而这四种状态要用传统比特别记录，则需要四对传统比特，而量子比特只需要一对。依此类推，N个量子比特可以一次性记录(2的N次方)个状态，因此，随着量子比特的增长，量子计算机的计算能力会以指数速度增长，而N个传统比特一次只能代表一个状态，可见量子比特的存储信息的能力是传统比特的倍。因此，250个量子比特就可以存储比中的原子数目还要多的数据!
理解了信息的存储，就要讲到信息的处理。计算机输入信息存储起来，要进行操作，然后才输出。经典计算机每操作一次，只能变换一次数据;而N个量子比特的量子计算机进行一次操作，就相当于同时变换个数据，也就是对N个量子比特实施一次操作，效果相对于对N个经典比特进行次操作，相当于是组经典比特(每组N个)并行做操作。这正是量子计算机具有巨大并行计算能力的根源所在。
既然量子计算机具有如此巨大的并行计算能力，那么，量子计算机到底是如何进行计算的?我们举个最简单的例子--求函数值--来比较经典计算机和量子计算机的工作原理。在传统计算机中，我们输入自变量的数值，然后根据函数规则进行编程，按照此程序对输入的自变量进行串行操作，最终获得函数值，串行操作也就是我们编程过程中使用的循环语句。我们知道，计算机的核(CPU)越多运算速度越快，这就是运用增加处理器的方式来实现并行计算，这样可以大大加快运算速度。而对于量子计算机，可以一次性输入全部的函数值，只进行一次操作(幺正操作)，即可获得全部的末态函数值，直接对末态进行测量即可一次性获得全部的结果。
量子计算机的概念，早在1981年就由美国著名物理学家费曼提出这是一种全新的计算机模式。虽然量子计算机的原理并不困难，但是技术上却困难重重。首先是量子计算机的信息载体量子比特的制备。量子比特最重要的就是其相干性，好的相干性才能使得量子比特同时加载多种信息状态。但是量子比特非常容易受到退相干和量子噪声的影响，相干性遭到，就失去了量子计算的优势。这也极大地阻碍了制造量子计算机的进程。多光子纠缠的操作，也就成为量子计算的技术制高点。2015年，谷歌公司、NASA(美国国家航空航天局)和大学圣巴巴拉分校宣布实现9个超导量子比特的高精度。而在2017年5月，这一记录被中国科技大学的潘建伟团队打破，实现了世界上最大数目的量子比特10个量子比特的纠缠和完整的测量。
为了简化量子计算机，2011年美国MIT的计算机科学家阿尔希波夫和阿伦森提出了玻色采样量子计算机。该计算机由单光子源(即输入)、线性幺正系统(即操作)和探测器(探测输出)构成。同样是在2017年5月，潘建伟和陆朝阳团队基于先进的量子比特技术，制造出世界上第一台5光子玻色采样计算机。潘建伟院士表示:量子计算基础研究领域有几个大家共同努力的指标性节点:第一，展示超越首台电子计算机的计算能力;第二，展示超越商用CPU的计算能力;第三，展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步，一小步，但是是重要的一步。
鉴于量子计算机的潜力巨大，这一领域也成为世界上激烈竞争的科技领域，最终鹿死谁手还尚未可知。量子计算机的物理实现已经不是一个遥不可及的梦想，愿更多的年轻读者能够加入到这一领域，实现自己的梦想，制造出计算的最强大脑!
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