量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

量子計算機的系統(tǒng)組成

量子計算機包括如下物理系統(tǒng)：

液態(tài)核磁共振量子計算機(liquid-state NMR quantum computer)

(固態(tài))硅晶體核磁共振量子計算機(silicon-based NMR quantum computer)

離子陷阱(ion trap)

量子光學(quantum optics)

腔室量子電動力學(cavity QED)

超導(dǎo)體方案。

量子計算機的工作原理

普通的數(shù)字計算機在0和1的二進制系統(tǒng)上運行，稱為“比特”（bit）。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子比特（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數(shù)值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，于是它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。常識告訴我們：原子的旋轉(zhuǎn)可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，一個向上轉(zhuǎn)的原子和一個向下轉(zhuǎn)的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來描述。

想象一串原子排列在一個磁場中，以相同的方式旋轉(zhuǎn)。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉(zhuǎn)一些原子的旋轉(zhuǎn)軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異，我們已經(jīng)完成了一次復(fù)雜的量子“計算”，涉及了許多自旋的快速移動。

從數(shù)學抽象上看，量子計算機執(zhí)行以集合為基本運算單元的計算，普通計算機執(zhí)行以元素為基本運算單元的計算（如果集合中只有一個元素，量子計算與經(jīng)典計算沒有區(qū)別）。

以函數(shù)y=f(x)，x∈A為例。量子計算的輸入?yún)��?shù)是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f(A)；經(jīng)典計算的輸入?yún)��?shù)是x，得到輸出值y，要多次計算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。

量子計算機有一個待解決的問題，即輸出值域B只能隨機取出一個有效值y。雖然通過將不希望的輸出導(dǎo)向空集的方法，已使輸出集B中的元素遠少于輸入集A中的元素，但當需要取出全部有效值時仍需要多次計算。