量子比特相比传统计算机比特更强大，是由于两个独特的量子现象：叠加（superposition）和纠缠（entanglement）。量子叠加使量子比特能够同时具有 0 和 1 的数值，可进行“同步计算”（simultaneous computation）。量子纠缠使分处两地的两个量子比特能共享量子态，创造出超叠加效应：每增加一个量子比特，运算性能就翻一倍。比方说，使用五个纠缠量子的算法，能同时进行 25 或者 32 个运算，而传统计算机必须一个接一个地运算。理论上， 300 个纠缠量子能进行的并行运算数量，比宇宙中的原子还要多。

这种超大规模的并行计算，对于处理日常任务其实没什么用。没有人认为量子计算机会颠覆文字处理和 email。但对于需要同时探索无数条路径的算法，还有对海量数据库的搜索，量子计算能极大地提高速度。它能被用来寻找新的化学催化剂，对加密数据的海量数字作因子分解（factoring），或许还能模拟黑洞和其他物理现象。

但有一个主要的陷阱––量子叠加和纠缠状态极度得脆弱，能被环境中的细微扰动所打破，这包括了任何测量它们的尝试。量子计算机需要被保护起来，与耶鲁大学物理学家 Robert Schoelkopf 描述的“汪洋般的混乱”（a sea of classical chaos）隔离开来。

虽然量子计算的理论在 1980 年代就开始出现，直到 1995 年才有了第一次实验。贝尔实验室的数学家 Peter Shor，向人们展示量子计算机可以对大量数字快速因子分解––若能实现，这会使现代密码学的大部分发明过时。Peter Shor 和其他人还展示了，若使用临近量子比特修正错误，让脆弱的量子比特永远保持稳定状态在理论上是可能的。

顿时，物理学家和他们的资助者相信，量子计算机未必会出现一大堆运算错误，他们有了充足的理由去尝试造一台量子计算机。那时，诺贝尔物理学奖获奖者，在 NIST（美国国家标准与技术研究院）工作的 David Wineland 已经开始了对使用激光冷却离子、并控制他们内在量子态的研究。ionQ 的创始人 Chris Monroe 那时就在 NIST 工作，他与 David Wineland 一起造出了第一个量子力学逻辑门，使用激光控制铍离子的电子态。有着和 Wineland 研究离子的经验，Chris Monroe 表示，成为早期量子计算实验领头羊的机会，落在了他们手中。

科技巨头们的量子计算研究进展

超导技术

在全世界，成百上千万的政府研究资金正流入量子物理学中。随着研究深入，其他形式的量子比特浮现出来。2010 年开始，囚禁离子技术遭遇了强大的挑战者： 超导体制成的电流回路。其中，超导体是由接近绝对零度时、携带无电阻振荡电流的金属物质组成。量子比特的 0 和 1 由不同的电流强度表示。该技术有许多吸引人的优点：1. 电流回路可以被肉眼观察到。 2. 使用简单的微波仪器就能控制，不需要对操作要求苛刻的激光。3. 使用传统计算机芯片制造技术就能生产。 4. 运转速度非常快。

但是，超导技术有一个致命缺陷：环境噪音。即使是控制设备的噪音，也能在远远不足一微秒的瞬间扰乱量子叠加。如今工程技术的优化，已使电路的稳定性提高了近百万倍，所以量子叠加状态可以维持数十微秒，但这仍远远不如离子。

D-Wave和量子退火

2007 年，加拿大初创公司 D-Wave Systems 宣布，他们使用 16 个超导量子比特成功制成量子计算机。这震惊了世界。但是 D-Wave 的机器并没有使所有的量子比特发生纠缠，并且不能一个量子比特接着一个量子比特得编程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊径，使用了一项名为“量子退火”（quantum annealing）的技术。该技术下，每个量子比特只和临近的量子比特纠缠并交互，这并没有建立起一组并行计算，而是一个整体上的、单一的量子状态。D-Wave 开发者希望把复杂的数学问题映射到该状态，然后使用量子效应寻找最小值。对于优化问题（比如提高空中交通效率的）来说，这是一项很有潜力的技术。