计算机通过一种叫做逻辑门的电路来计算，逻辑门是由许多连接在一起的晶体管组成的。逻辑门比较存储在称为寄存器的临时存储器中的位的模式，然后将它们转换成新的位的模式——这相当于我们人类大脑所称的加法、减法或乘法。在物理术语中，执行特定计算的算法采用由多个逻辑门组成的电子电路的形式，一个门的输出作为下一个门的输入。
传统计算机的问题在于它们依赖于传统晶体管。如果你看看过去几十年电子技术取得的惊人进步，这听起来可能不是一个问题。当晶体管在1947年被发明出来的时候，它所取代的开关(被称为真空管)只有你拇指那么大。现在，一种最先进的微处理器(单片计算机)在一块指甲大小的硅芯片上封装了数亿个(最多300亿个)晶体管!像这样的芯片，被称为集成电路，是小型化的惊人壮举。
早在20世纪60年代，英特尔的联合创始人戈登·摩尔就意识到，计算机的能力在大约18个月的时间里就翻了一番——从那以后一直如此。这一明显不可动摇的趋势被称为摩尔定律。图片: USB闪存棒上的存储芯片这个记忆芯片从一个典型的USB棒包含一个集成电路，可以存储512兆字节的数据。这大约是5亿个字符(准确地说是536870912个)，每一个都需要8个二进制数字——所以我们说的是一个邮票大小的区域里总共有40亿个晶体管(4,294,967,296个)!这听起来很神奇，确实如此，但它没有抓住重点。
需要存储的信息越多，需要存储的二进制1和零(以及晶体管)就越多。由于大多数传统计算机一次只能做一件事，所以您希望它们解决的问题越复杂，它们需要采取的步骤就越多，所需的时间也就越长。有些计算问题非常复杂，它们需要的计算能力和时间比任何现代机器所能合理提供的都要多；计算机科学家称这些问题为棘手的问题。随着摩尔定律的发展，棘手问题的数量也在减少:计算机变得更强大，我们可以用它们做更多的事情。
问题是，晶体管是我们所能制造的最小的:我们已经到了物理定律似乎可以阻止摩尔定律的地步。不幸的是，仍然有一些非常困难的计算问题是我们无法解决的，因为即使是最强大的计算机也发现这些问题很难解决。这就是为什么人们现在对量子计算感兴趣的原因之一。什么是量子计算?量子理论是物理学的一个分支，研究原子及其内部较小的(亚原子)粒子的世界。
你可能认为原子的行为和世界上其他任何东西都是一样的，以它们自己的微小方式——但那不是真的:在原子尺度上，规则在变化，我们在日常生活中习以为常的“经典”物理定律不再自动适用。正如20世纪最伟大的物理学家之一理查德·p·费曼(Richard P. Feynman)曾经说过的那样:“非常小的尺度上的事物，其行为与你的任何直接经验都不一样……或者像你所见过的任何东西。
”如果你学过光，你可能已经对量子理论有所了解。你可能知道，一束光有时表现得好像它是由粒子组成的(像一股稳定的炮弹流)，有时又好像是能量波在空间中波动(有点像海浪)。这被称为波粒二象性这是量子理论中的一个概念。很难理解一个东西可以同时是两种东西——粒子和波——因为它与我们的日常经验完全不同:汽车不是同时是自行车和公共汽车。
然而，在量子理论中，这就是可能发生的疯狂的事情。这方面最引人注目的例子是一个叫薛定谔的猫。简而言之，在量子理论的奇异世界里，我们可以想象这样一种情况，这只猫可以同时活着和死了!那这一切跟电脑有什么关系吗?假设我们继续推进摩尔定律——继续把晶体管做得更小，直到它们不再遵循普通的物理定律(比如老式的晶体管)，而是遵循更奇异的量子力学定律。
问题是，以这种方式设计的电脑是否能做我们传统电脑做不到的事情。如果我们能从数学上预测它们可能会，我们能在实践中让它们像那样工作吗?几十年来，人们一直在问这些问题。IBM研究物理学家Rolf Landauer和Charles H. Bennett是第一批。兰道尔在20世纪60年代开启了量子计算的大门，当时他提出信息是一种可以根据物理定律操纵的物理实体。
这样做的一个重要后果是，计算机在操作内部的比特时会浪费能量(这也是计算机消耗如此多的能量并变得如此热的部分原因，尽管它们似乎并没有做太多事情)。20世纪70年代，班尼特在兰道尔研究的基础上，展示了计算机如何通过“可逆”的方式来绕过这个问题，这意味着量子计算机可以在不消耗大量能量的情况下进行大规模复杂的计算。
