桌上的计算机通过操作位（二进制数）进行工作，即它可以表示1也可以表示0。从数字和字母到调制解调器或鼠标的状态，一切信息都是通过由0和1组成的位集合所表示的，这些位与经典物理学表示世界的方式非常契合。电子开关可以是打开或关闭的，物体在一个位置或者不在，等等。量子计算机不受经典物理世界的二进制本质限制，但它们依赖于对量子位（或称为qubit）状态的观察，量子位可能代表1或0，也可能代表这两者的组合，还可能代表一个表示量子位状态在1 和0之间某位置的数字。

按照量子物理学的理论，不能绝对说亚原子粒子存在：亚原子粒子显示出一种它在特定空间和时间下存在的统计概率，在观察到它之前，您无法知道它是否存在于那里，在您观察到它时，所有概率都将缩减成一个确定的状态。事实上，有些人认为亚原子粒子在被观察到之前，它既是存在也是不存在的。当它被观察到时，观察者将这种特定的被观察到的状态指定为具体的存在。按照一些理论学家的说法，由于我们无法解释特定观察者未观察到的状态，因此这意味着必然存在无数个平行宇宙，但由于我们无法进入其他宇宙，所以它们对制造计算机起不到帮助作用。

IBM的研究人员通过利用核磁共振（NMR）技术测量和操作单个原子的自旋，制造了量子计算机。射频能量脉冲通过改变原子能级（该原子将以一种受控方式与其他原子进行交互）可以启动“计算”过程，从而建立与通过普通计算机收集的答案一致的量子计算模式。

研究人员如此费尽心机地开发实用量子计算机有多个原因。首先，原子的能级状态改变非常快——远远超过速度最快的计算机处理器。其次，如果是处理正确类型的问题，那么，每个量子位都可以取代一个完整的处理器——也就是说，1,000个离子（比如钡离子）可以取代一台拥有1,000个处理器的计算机。关键在于找到量子计算机可以解决的问题类型。

大型量子计算机不会出现在您的桌上，因为它们不适合处理文字和电子邮件等任务。另一方面，量子计算适用于大型密码，同时适用于对非常庞大的数据库建模和编制索引。科学家不断研究量子计算机正是为了这些大规模应用。

尽管科学家和工程师已经展示了一些小型量子计算机，但开发人员在设计具有商业价值的量子计算机的道路上仍面临着一些艰巨的困难。最迫切的问题在于：难以在观察离子被操作的能级和自旋方向时保持单个离子处于稳定状态。现在，通常使用激光来冷却离子，通过使其温度接近绝对零度来解决这一问题。这是从一组原子中分离出单个原子并将其放入某个位置后执行的操作。目前的演示通常涉及两个到五个原子。在观察原子和将概率缩减为某一状态时，也存在着问题——这会破坏“既存在也不存在，或介于两者之间”的这种重要状态。IBM使用的NMR技术是一种观察离子状态影响的方法，这种技术并非直接观察离子因而不会导致概率缩减。

洛斯阿拉莫斯国家实验室、IBM、CalTech和牛津大学的科学家在制造量子计算机这一领域中处于领先地位。克服上述困难能够为取得成功的公司或大学带来丰厚回报。

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• The Quantum Computer——an introduction
  
  
• 量子计算机工作原理
  
• 世界上运行速度最快的计算机是什么？
  
• DNA计算机工作原理