1.了解量子计算原理
由于电子特性，现代经典CPU已经做到小的极限，无法再继续压缩CPU的体积了。
传统的计算机由一系列的总线，缓存和处理器组成来储存，处理和计算数据。每个处理单元或处理器的核心处理数据，都尽可能快地从一个计算循环到下一个计算，同时仍然遵循顺序格式。
增加处理器的数量，更快的总线可以并行进行更多的计算。但尽管如此，再大的计算集群也无法突破复杂计算的限制。
与经典计算机以惊人的速度进行简单计算不同，量子计算机利用量子物体的纠缠状态，从而允许对数级的计算，而不需要使用大量并行处理器。
上图为一台稀释制冷机，用于某种量子计算机的冷却系统。在底部附近有一个非常小的基于超冷量子纠缠的物体矩阵的量子处理器用于实际进行计算。
通过降温到接近绝对零度，对象的运动变得非常缓慢，这种运动包括量子级别的电子在原子周围的运动。在这种低速运动下，纠缠的量子物体被隔离并操作为一个可被应用的矩阵。
当对象就位并被应用到矩阵中时，一个可能的结果可以通过测量量子物体的能级来确定。注意这里是“可能”的结果。
量子比特
与通常电子开关的状态为开或关，赋值为1或0不同，量子位被称为量子比特，他在量子态时可以处于任意数量的可能状态，即所谓的叠加态。这些多种状态可以与其他状态相互联系，被称为纠缠。
量子物体可以是一个电子，光子或者过冷的原子，被迫进入具有波粒二象性的状态。虽然我们利用波的性质进行计算，但当被测量时，对象会返回到粒子行为。这以为这量子计算机对量子比特的实际计算时不可跟踪或可见的。
只有最终结果——对象呗测量离开其量子态——是可以被知晓的。
无论在叠加态时可能的状态如何，最终结果总是一个为0或者1的值。例如，如果你把一堆硬币抛向空中，他们会有任意数量的任意状态，因为他们都在旋转。如果我们从上面拍摄硬币在空中的照片，每个硬币在该照片上会呈现出一定程度的正面向上或反面向上的状态。
叠加态
叠加态是指量子物体在在许多不同状态中同事存在的状态。这个术语描述了同时处于0和1之间的状态，以及其中的更多的值。在量子状态下，物体同时处于许多状态，一旦被测量，物体离开量子状态，仅代表0或1.量子计算的重要部分发生在物体处于其量子状态、相互纠缠，并且计算正在进行时。这个过程开始于将数据编码为量子状态。然后，将量子位相互纠缠，这取决于所使用的物体类型。接下来，使用量子力学的性质处理这些相互纠缠的量子位。最后进行量子测量，这给我们带来了带有一定概率的计算结果。由于每个测量都是一个概率值，因此需要多次重复这个过程，才能获得足够的信息重构概率分布，这是包含了计算结果的内容。
理解围绕量子物体移动的能量球体需要对量子力学有深入的理解。为了简化它，可以将其想象位一个旋转球体上的精确位置，就行整个世界旋转和绕太阳公转时的一个平方米的GPS坐标。
地球右侧的球体表示一个布洛赫球，他是一种可视化便是量子波函数或量子态的位置值的方式。量子对象本身可能没有像量子场那样旋转，二十量子场可能围绕一个对象在运动。这些量子态及其相对于测量的位置概率可以用于计算和优化。想想以下数百个旋转星星在运动，他们能够利用与其他行星的关系进行计算。虽然计算使用了量子态，但在计算完成后，当量子比特离开其量子状态并再次表现为粒子时，它将被减少为1或0.这是被测量的物体的量子力学性质的本质。
概率值
在当前技术下，量子计算的计算方式并不像经典计算机一样是一个精确的值。相反，在测量时，量子物体的值集合用于确定一个概率值，通过测量波形的峰值或谷值得出。这个波形表示经过逻辑处理后量子物体的能量级别，被称为量子态。通常情况下，量子计算会被执行多次，通过比较概率值来确定最可能（或最有可能）的答案。将物体转化为矩阵的方式，所需的测量灵敏度，以及来自外界的噪音或干扰会导致计算结果类似，但每次计算并不完全相同。使用现代经典计算机进行验证需要更长时间，但已经表明，概率答案是准确的。对于难题，例如需要量子霸权的问题，使用现代经典计算机进行验证是固有的不可能的。与经典计算机不同的是，量子物体的测量结果返回一个概率值，每次计算相同数据时可能不同。例如，地球上某个点的位置可能有78％的概率是1，有22％的概率是0，这与经典计算机的纯1或0不同。如果这个点恰好位于赤道上，测量结果有50％的概率是1，50％的概率是0。量子计算机提供了一个概率答案，可能需要多次迭代才能获得答案的集合或趋势。例如，如果您多次抛掷相同顺序的硬币堆，您可以获得硬币正反的趋势。
纠缠
2n种可能状态
两个量子比特，00 01 10 11，有四种可能状态
三个量子比特，000 001 010 100 011 110 101 111，有八种可能状态
60个量子比特有1,152,921,504,606,846,976种状态
一个现代经典计算机一次只能处于一种状态。由于量子力学的本质，一个量子比特可以同时处于多种状态。这就允许可能的迭代比经典计算机更快地进行评估。量子计算机不同于经典计算机的另一个重要部分是纠缠或物体之间的连接，其中一个物体的测量会立即影响其他纠缠的物体，无论另一个物体有多远。观察一个纠缠的物体也会确定另一个纠缠的物体的状态。纠缠的量子比特越多，可以确定的问题的复杂度也就越高。保持纠缠的物体在矩阵中的复杂度也会随着更多物体的加入而增加。物体之间的纠缠可以通过一些方法实现，例如将激光光线分离或从原子中分离出电子。
量子物体阵列
通过了解单个量子对象、叠加态和纠缠，我们可以掌握量子计算机的基本概念。纠缠的量子比特被放置在一个阵列或矩阵中，可以对其应用逻辑，并确定编码算法的解决方案。纠缠的量子比特越多，就能解决更复杂的算法。
量子比特纠缠的另一个方面在于量子比特潜在值的关系。如果纠缠量子比特中的一个被测量或受到影响，它本质上会瞬间改变所有其他纠缠量子比特的可能值，而且不管它们的位置如何。即使纠缠物体以光速相对运动，一个物体的测量结果瞬间就会影响其他物体。它们的量子特性必须保持恒定。
在上面的例子中，我们看到了一个量子比特的八个可能的二进制值。根据我们构建的矩阵和应用的算法，二进制值为111的概率为40％，而顶部显示60％。其余值显示5％至10％的概率。通过使用量子逻辑门将111的概率降低到25％，001的概率则变为30％。通过影响其中一个纠缠物体，所有纠缠物体的可能值都会改变。这意味着，由于整个状态发生了变化，所以更改参数的新值可以快速完成，而经典计算机则需要使用新的起始值重新计算整个算法的值。纠缠的比特越多，我们的算法就越复杂，可以快速确定更复杂的计算。为了进一步了解这种关系，我们需要重新审视一个量子比特并了解量子态。
量子态基础
量子态，有时被称为波函数或量子波形，加在一起可能等于一组状态，这些状态匹配所有组合可能的二进制状态的概率。在我们的例子中，001的波形是三个量子比特纠缠态中最有可能的。
传统计算机通常需要执行大量的顺序计算，而量子计算机始终处于特定状态，可以快速测量以确定概率值，这是由于量子物体的纠缠状态造成的。在这一点上，我们将探讨什么使量子计算机与典型系统不同。
另一种考虑量子状态或波形的方法是考虑一个滚动的足球。如果我们跟踪其中的一个板块，它将沿着不规则的路径移动。面板所经过的路径在每个维度上都在运动。这种运动可以用波形来表示，如下图所示。请注意，该图未完全显示波形的三维性质。
当量子对象被测量时，它会离开其量子状态。其值有可能是1或0，也可能存在等概率的可能性，即有50/50的概率是1或0。下图展示了先前的面板代表什么取决于对象何时被测量。
算法
与运行类似于Mac或Windows操作系统并从存储中获取数据的经典计算机不同，量子计算机没有操作系统（至少目前还没有）。目前的量子计算机需要根据问题的类型以特定的方式格式化问题，并利用硬件，就像经典计算机一样。经典计算机具有这些组件、固件和软件，它们共同工作。量子计算机依靠人类确定算法，并依靠经典计算机来编译和排序数据。一旦准备就绪并插入，量子处理器解决特别制作的问题，通常构建为算法。算法可能需要经典计算机格式化问题并将其转换为可用矩阵。一旦处理器已经配置好，利用量子力学和物体的纠缠，算法的可能结果被确定，这通常需要经典计算机进行解码。涉及的量子位数越多，就会考虑更多的可能结果，最终得出单个可能值。这些可能性不被跟踪或记录，因为量子位在测量之前仍处于叠加态。每个可能的迭代都存在于单个量子态中，通过物理学和精确的测量来确定算法的最有可能答案。
量子计算的一个重要组成部分是创建算法来利用量子计算机硬件。现代经典计算机有存储在本地高速缓存和存储器中的算法库。这些算法仍在为量子计算机创建中，并需要人类创建并从外部计算机中输入。额外的努力和专业知识是值得的。例如，在旅行推销员问题中，管理50艘船前往20个港口并确定最佳路线可能需要经典计算机数月甚至更长时间才能确定。要使用量子计算获得答案，科学家必须创建算法并将其插入量子计算机。所有可能的航线将同时计算所有可能的船只和港口，找到最佳路线的响应。这些答案将通过收集具有特定能量水平的量子位来找到。这还需要敏感的传感器和计算机来收集数据以及科学家来解释数据。
使用量子计算机依赖于高技能的人类来确定和创建算法，利用经典计算机来准备和插入算法，以及解释结果。即使有人类资本参与，量子计算仍然具有优势。在我们的例子中，确定所有船只的路线后，如果一艘船失效，经典计算机将再次按顺序处理数据-需要数月或更长时间才能完成。在船只上下线，反复变化时，在使用经典计算机时答案可能已经发生变化。使用量子计算机，每个可用船只或港口的更改都可以在几秒钟内重新计算，并再次确定最佳航线。
在量子计算中，数值会一直处于叠加态直到计算完成。在这一点上，这个数值会被测量。由于量子力学的原理，表示形式必须离开叠加态并返回到1或0的二元性。
有几种类型的量子计算，但我们可以用一种类型来理解这些观点。地球在自转，就像宇宙中的每个粒子都有动量和角向定位。当地球自转时，移动的GPS坐标要么与测量对齐，可以被赋值为1，要么不对齐，被赋值为0。找到的值取决于测量自转的角度，例如赤道。测量角度将决定结果的可能性。当在赤道上使用地球作为对齐点时，因为它保持在北极附近并与赤道保持对齐，所以会被赋值为1；否则，它会被赋值为0。
经典二极管和门电路
一个处理器由使用电流的晶体管或开关组成，这些晶体管或开关可以打开或关闭，代表1或0的值，即比特。就像一个灯开关，打开它，电流就会流到灯泡上。在我们的例子中，当电压开启时，nMOS晶体管将允许电子流动。其他晶体管可能会在电压关闭时允许流动。无论如何，每个晶体管都可以控制电流的流动，可以用来构建逻辑门。逻辑门允许进行布尔函数操作。我们图中的门可以是AND逻辑门，其中只有当A和B都有电流时，电流才会流动；或者是OR门，当A，B或两者都有电流时，电流就会流动。由软件和固件控制的许多逻辑门的集合是处理器的基本构建模块。
量子门
与传统比特位只能时0或1的取值不同，量子比特可以有更多的值。为了利用量子比特，量子计算机会首先让不同的量子比特通过纠缠相互关联，然后通过量子们来操控他们的概率。请注意，量子比特经过量子门后会有不同的排序或自旋。通过使用多个量子门，我可以操纵量子比特的概率方向，并影响算法的最终结果。量子比特和量子门越多，可以用于情定最有可能的结果的条件就越多。
测量
这些图形展示了一种常用的双缝实验。量子粒子被发射到一堵有两个缝隙的屏障上，缝隙只够一个粒子穿过。有些粒子会被屏障拦住，那些穿过的粒子的尺寸也不能大于缝隙的宽度，即一个单个粒子的宽度。一个传感器板会跟踪每个测量，显示粒子到达并被测量时展示的运动范围比单个粒子宽，一些粒子落在屏障后面。这种扩散也可以看作是在三个低波峰之间有两个高波峰的波形。如果在屏障上加一个流量传感器，本质上就是在测量粒子，那么粒子就会按照缝隙的宽度，即一个单个粒子的宽度排成一行。这说明，测量总是会导致量子态的坍塌。它还表明，量子物体的运动方式与非量子物体不同。物理学和量子场的测量函数意味着，虽然量子粒子可能存在于场中的任何位置，但我们通过测量来打断并固定其位置。
噪音和干扰
量子计算中需要考虑的另一个因素是其对非预期干扰的敏感性，即噪音。自然和人造无处不在，例如所有电子设备产生的波形。量子对象非常微小，存在于如此微妙的矩阵中，以至于它们受到的波形可能会改变它们的叠加。即使是最小的运动，例如大型车辆在建筑物外移动，也足以扭曲量子矩阵。由于量子状态的性质，我们不知道这是否已经发生，因为测量会使对象离开量子状态，并且不会留下任何痕迹。类似于噪音消除耳机如何影响声波以遮盖背景噪声，波可能会改变量子位的自旋和被测量的内容，并使概率不准确。
不是所有干扰都是坏的。就像噪音消除耳机一样，我们可能希望增加或放大所需的波。难以工程化的部分是使用波和干涉将量子对象推向所需的布局，但不会扭曲或过度校正位置。这意味着我们的量子计算机所处的环境必须经过特别设计和构建，以限制所有不需要的干扰。
Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)是量子计算的一个阶段，意味着量子计算机仍然受到噪声的影响，缺乏必要的大规模纠错技术以确保完全准确的结果。这些量子处理器使用十几到几百个物理量子比特以模拟方式进行测量。这个量子比特的数量已经接近了量子计算的更广泛应用所需的数量，被认为是一个中间阶段。技术尚不能处理系统的噪声，导致结果各异，需要多次尝试相同的计算。纠错技术可以解决噪声问题，即使用额外的位来引用和检查现有的位。这种技术在经典计算中很常见，但在量子计算中尚未完全发展。如果没有实施量子纠错技术，结果将是可疑的，并需要重复多次以增加结果准确的概率。纠错技术的实现需要更多的量子比特来检查和验证每个操作。此外，一旦实现了纠错技术，它将被称为可扩展的量子计算机。
2.量子计算的类型
量子比特的类型
有几种不同类型的量子对象可以被用于量子纠缠。研究正在专注于寻找新的量子对象，这些对象在矩阵中保持稳定的时间更长，更易于制造。一些前景对象是人造的，一些处于它们的自然状态。每个对象都有优点和制造挑战。量子比特的类型和特性与构建的量子计算机类型以及可以解决的问题有关。由于这是一个密集研究的领域，所以这个列表不应被认为是详尽的。
超导量子比特（Superconducting Qubits）：超导量子比特是比典型量子对象大的量子比特，它们在冷却时获得量子特性。这些量子比特可以使用用于半导体的现有设备和技术创建。
硅自旋量子比特（Silicon Spin Qubits）：已经有很多基于硅的计算机制造了。它们使用现有的机构知识来构建可扩展的量子计算机。这些也需要极端的冷却机制。
离子阱（Ion Traps）：离子阱是由带电的相同原子，例如来自钇的原子，排列成矩阵并通过激光进行调整而形成的。它们具有低错误率，因为量子对象处于其自然状态。它们被电磁场固定在原位，不使用导线，并且必须在真空中，该真空需要比星际空间更空。
冷/中性原子（Cold/Neutral Atoms）：这些是室温碱土金属元素原子，被困在一个真空室中，必须比星际空间更加真空。通过使用激光和光学技术，可以创建门和逻辑电路，无需使用导线。
光子（Photonics）：早期量子比特，具有有限的门控能力和大量处理开销要求，但研究仍在继续，能力和开销已经得到了缓解。由于这种类型的量子比特似乎是可扩展的，并且具有很大的优势，因此工作仍在继续。
拓扑量子比特（Topological）：拓扑量子比特是一种基于拓扑物理学的新型量子比特，由于其稳定性和高度抗干扰性，被视为实现大规模量子计算的一个潜在方向。拓扑量子比特是利用拓扑物质的不同物理性质，如拓扑绝缘体和拓扑超导体中的拓扑激发，将量子信息编码。与其他类型的量子比特相比，拓扑量子比特更加稳定，可以通过扩大系统规模来扩展计算能力，但目前还没有成功制造出实际的拓扑量子比特，制造难度和技术挑战仍然很大。
数字模拟量子计算（DAQC）
当前技术在噪声和退相干方面仍存在问题；解决这一问题的方法是将单量子比特操作以数字方式组合，同时用模拟方式测量纠缠块。这已经表现出比纯数字或纯模拟操作具有更好的性能和耐久性。
通用量子计算机
通用量子计算机是指具有纠错能力、稳定的量子比特组成的矩阵、较低的量子失真率、足够大的规模来处理大型计算，并能够处理多种类型计算的量子计算机。这种量子计算机是目前大部分研究和开发的目标。
混合系统（Hybrid Systems）
混合系统指的是在计算过程中将经典计算机和量子计算机结合起来使用的方法。由于量子计算机的成本和复杂性，大多数计算仍然是由经典计算机完成的，只有那些能够被量子计算机优化的计算会被调用到量子计算机中。这种混合的方法可以在需要时利用量子计算机的优势，同时仅为访问量子资源支付费用，这些量子资源可以是本地的量子计算机或使用量子计算服务提供商。
目前量子计算还不是完整的计算机，与经典计算机不同，现代量子计算机缺乏商业应用所需的大多数组件。尚不存在用于量子信息的内存、缓存或存储器。量子处理器需要一个复杂的算法来计算确定性状态，并使用值的概率而不是固定值。与经典计算机上的现成算法库不同，尚不存在现成的算法库可供使用。每个这样的领域都在不同程度上进行着开发。
3.加密灵活性Crypto-agility
计算机已经成为我们日常生活的一部分。我们的手机就是一台计算机。我们的汽车和飞机需要多个计算机才能运转。我们的网络通信也需要计算机。除了使用计算机进行通信外，我们还使用计算机来保护我们的数据和家庭的安全和隐私。很快，量子计算机将能够快速破解今天大多数加密数据。因此，所有数据可能被读取或更改，甚至可能都不知道已经发生了什么。由于更改IT系统需要很长时间，我们必须现在就为最终的更改做好计划。每个系统都必须建立或重建，以便轻松更改正在使用的加密系统。这种前瞻性的框架被称为加密敏捷性（Cryptographic agility）。
随着量子计算变得更加可用和更加可靠，我们甚至不知道将会发生多大程度的颠覆。当内燃机发明时，人们没有想到每天会有成千上万架宽体飞机在空中飞行。当晶体管发明时，无人宇宙飞船也不是一个考虑的问题。我们不知道量子计算将带来什么，但我们应该尽力准备好将其整合到我们的基础设施和社会中。
