量子计算机原理与量子信息学基础随着科技的迅猛发展，虽然计算机制造商提供了具有强大计算处理能力的电子计算机，可是仍不能满足我们对运算速度和运算能力的渴求而在1947年，美国计算机工程师霍华德·艾肯 (Howard Aiken) 曾说过，只要六台电子数字计算机就可以满足全美国的计算需要；其他人也做过类似的错误估计，说什么仅需多少计算能力就能满足我们不断增长的技术需求当然，艾肯没有算过日后科学研究产生的大量数据，以及个人计算机的普及，还有互联网的崛起：所有这些都使我们对计算能力的需求与日俱增我们是否终有一天能够拥有需要的或是希望的计算能力呢？如果像摩尔定律指出的那样，微处理器上的晶体管数目保持每18个月翻一番，那么到2020或2030年微处理器上的线路就会到达原子水平了顺理成章的下一步将是建造量子计算机，充分驾驭原子和分子的能力，将其用于存储和计算工作量子计算机在进行某些计算的时候可以比任何硅基计算机快出很多科学家已经建造起一些能够完成某种运算的简单量子计算机，但要制造出实用的量子计算机还要等上很多年，还有很长的路需要走在本文中，您将了解到什么是量子计算机，以及它在未来计算时代所发挥的作用量子计算的起源距离现在并不很远。
尽管计算机早在上世纪四十年代就已出现，但量子计算的理论在20年前才由美国阿贡国家实验室的一位物理学家首次提出世人公认保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)在1981年第一次将量子理论用于计算机，提出了制造量子图灵机的理论大部分数字计算机，比如您正用来阅读文章的这台计算机，都是基于图灵理论设计制造出来的，区别于量子图灵机而言属于常规图灵机阿兰•图灵 (Alan Turing) 于19世纪30年代提出的图灵机包含一条无限长的、被分成无数小格的带子每个格子要么保存一个符号（1或0）要么是空白一个读写装置可以读取这些符号和空白，它们构成了图灵机的程序指令听起来是否有些耳熟呢？那么对于量子图灵机，区别在于带子和读写头都以量子态存在的这意味着带子上的符号除了可以是0或1，还可以是0和1的叠加常规的图灵机每次只能完成一个计算，而量子图灵机可以同时进行计算的今天我们使用的计算机像图灵机一样，通过操作具有两种状态的位元即0或1来进行工作而量子计算机不只依靠两种状态，它们将信息编码为量子比特或称昆比特（qubit）量子比特可以是0或1，也可以是某种叠加态即同时是0、1或二者之间的某个值量子比特由一组原子实现，它们协同工作起到计算机内存和处理器的作用。
因为量子计算机可以同时包含这几种状态，所以它可能是比当今功能最强大的超级计算机还要强大数百万倍的计算机这种量子比特的叠加使量子计算机具有内在并行性物理学家戴维·多伊奇 (David Deutsch) 指出，这种并行性使量子计算机能够同时进行一百万条计算，而台式PC只能进行一条计算一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒十万亿次浮点运算 (teraflops) 的传统计算机的水平相当当今典型的台式PC机运行能力为每秒十亿次浮点运算（gigaflops）量子计算机还利用了量子力学的另一个机制即纠缠量子计算机的设想存在一个问题：若对亚原子水平的粒子进行观察则会破坏粒子的状态，即改变了它们代表的值但是在量子物理中，对两个原子施加外界作用可导致它们互相纠缠，使第二个原子具有第一个原子的性质因此当不受干扰时，原子的自旋方向是不定的，而一旦受到扰动，原子就会选择一个确定的方向或值同时第二个处于纠缠的原子会选择相反的方向或值这个原理使科学家们能不进行实际的观察而得到量子比特值,从而避免将它们塌缩回0或1的状态量子计算机将来可以像晶体管取代电子管那样取代硅芯片但是我们现在的技术还没有达到制造这种计算机的水平，量子计算大部分研究还处在理论阶段。
当今最先进的量子计算机也只能操作7个量子比特，就是说还处于计算“1+1”的阶段然而，量子计算机有朝一日可以轻松便捷地完成在传统机器上极其耗时的计算，这种潜力始终存在近年来在量子计算领域实现了关键的进展下面我们看看几台已经研制开发出来的量子计算机：2000年8月，IBM-Almaden研究中心的研究人员宣布研制了一台据称是当时最先进的量子计算机这台量子计算机的5个量子比特由5个相互作用的氟原子核构成，使用无线电频率脉冲编程，并使用类似于医院中的核磁共振 (NMR) 设备进行探测这支由艾萨克·庄(Isaac Chuang)博士领导的IBM小组成功地仅用一步解决了一个用传统机器需要循环才能解决的数学问题这个称为寻秩的问题涉及查找一个特定函数的周期，是密码学中经常遇到的众多数学问题之一2000年3月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们宣布研制了一台包含7个量子比特，存在于一滴液体中的量子计算机该量子计算机使用核磁共振操纵反式丁烯酸分子原子核中的粒子反式丁烯酸是一种简单的液体，其分子由六个氢原子和四个碳原子组成核磁共振可用来产生促使粒子排列起来的电磁脉冲处于与磁场方向相同或相反的位置的粒子使得该量子计算机可以模仿数字计算机来按比特对信息进行编码。
1998年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和麻省理工学院的研究人员设法将一个量子比特的信息扩展到丙胺酸或三氯乙烯溶液中每个分子的三个核子自旋态上将量子比特进行扩展可以使它比较不容易被破坏，而且研究人员可以利用纠缠机制来研究量子态之间的相互作用，并以此作为一种间接分析量子信息的方法可以肯定：一旦实用的量子计算机被制造出来，它们在大整数因子分解方面会大显身手，这对保密信息的编码和解码极为有用要是现在就有这样一台量子计算机，互联网上就不再有信息安全可言与通过量子计算机可实现的复杂算法相比，我们目前使用的加密技术过于简单了此外，量子计算机还可用于检索大型数据库，所用时间会比传统计算机少得多但是，量子计算仍处于初期发展阶段，还要很多年人们才能掌握实用量子计算机所需的技术量子计算机至少需要几十个量子比特才能解决现实世界中的问题，进而成为一种可行的计算方式量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器要说清楚什么是量子计算计算机，首先清楚什么是经典计算机经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现经典计算机具有如下特点：其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述也就是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。
如输入二进制序列0110110，用量子记号，即|0110110＞所有的输入态均相互正交对经典计算机不可能输入如下叠加态：C1|0110110 ＞＋C2|1001001＞经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换或计算只对应一类特殊集相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统称为量子比特（qubits）,量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的么正变换因此量子计算机的特点为:量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；量子计算机中的变换为所有可能的么正变换，得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定测量，给出计算结果由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。
遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减即消相干也称退相干因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机! 目前最快的超级计算机，对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解，要耗时上百亿年，而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机，只需大约一分钟因此，人们一旦拥有了一台量子计算机，那么目前的密码系统将毫无保密性可言！潘建伟教授的量子纠缠经典信息处理的最基本单元是比特，即二进制数0或1；而一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串构成一个密钥，经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题如果密钥分配不是绝对保密，经典密码通信也就不可能绝对保密但潘建伟等科学家最近开展的研究发现，基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配，却可以从根本上解决密钥分配这一世界性难题。
虽然目前美国马萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室，研制量子计算机运算器已成事实，但由于没有三旋理论的指导，西方量子计算机原理中存在有纰漏例如Neil Gershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图时，对量子位不动的几种陀螺旋转，就分辨不清，明显的错误是把陀螺绕Y轴的体旋称为“进动”，这是不确切的其原因是体旋实际比面旋复杂而这一点却让量子计算机原理研究的专家所忽视，这类量子计算机原理中的纰漏，与量子计算机以量子态作为信息的载体有关因为，人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统作为量子比特的方案，这使量子行为与经典物理的联系更紧密，但它也揭示出经典物理概念天生的不足，从而，非引入三旋概念不可即Neil Gershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图，也类似陀螺或廻转仪，它们的进动和公转，是旋转概念中不好区分的一个问题，把自旋的定义转换成截面的定义来看待三旋，就很明白了1）面旋：用一系列平行的截面来切一个作自旋的物体，如果能在每个截面内找到一个且仅有一个不动的转点的旋转，称为面旋。
如果由这些不动点组成的转轴与截面正交，这些截面就称为面旋正面，这条转轴就称为面旋轴，也称面旋Z轴2）体旋：物体作面旋，面旋轴只有一条，而面旋正面却有很多个，并且物体还可以绕其中一个面旋正面内的一条轴作旋转，这称为体旋而这个面旋正面就称为体旋面，这根转轴称为体旋轴但过这个面旋正面不动点的体旋轴还可以有许多条，因此在体旋面内选定一条作体旋X轴，那么体旋面内过不动点与它垂直的另一条轴就称为体旋Y轴绕体旋X轴转90度，体旋面就与原先的位置相垂直，体旋Y轴这时也与原先的位置相垂直如果体旋绕X轴再转90度，体旋面就翻了个面其次，前面体旋面从开始位置转90度垂直起来时，还可以停下来绕体旋Y轴旋转若干圈，再停下来绕体旋X轴继续转90度从而回到开先的水平位置 从上可以看出，体旋实际比面旋复杂而这一点恰恰是很多理论力学中没有提到的知识，因此容易把如廻转仪陀螺一类中心点不动，且存在面旋与体旋混合时的偏角不大的体旋，判为“进动”，这是不确切的3）线旋：用一系列体旋轴与面旋轴构成的截面去切一个作自旋的物体，每个截面能显现闭封同心线的旋转，称为线旋且每个截面内同心的不动点组成的圈线，称为线旋轴从各个方向用一系列平行的截面去切一个物体，总可以找到一个相对截面面积最大的截面。
以这个截面作水平面，并以它的相对中心点作垂直轴，再以这条垂直轴与过中心点的水平轴构成的一系列截面去切这个物体，又总可以找到一个相对截面面积最大的垂直截面再比较这两个截面的大小，如果从肉眼上在短时间内能分辨得出来，就称为弱对称，或强不对称反之，肉眼不能一眼区辨出来，就称为强对称或弱不对称 即弱不对称的物体。