传统经典的计算机所完成的所有计算，都是将数据转换成二进制代码，然后存放在存储中并进行基于晶体管所构成的逻辑电路的计算。随着集成电路工艺接近1nm线宽，PN结也越来越薄，导致许多载流子可以穿过PN结造成漏电，这样集成电路中晶体管也就难以维持0或1状态，计算机的硬件发展也就走到了尽头。目前一种挖掘计算机潜力的办法是采用碳半导体取代硅半导体，利用碳半导体的电子比硅半导体中的电子更稳定的特点来减少载流子穿越PN结，从而使PN结可以做得更薄，集成电路的集成度可以做得更高。然而PN结的宽度总会是有限的，因此计算机的硬件发展总会走向尽头。随着近年来量子力学的进展，人们越来越多的关注量子计算，希望从中找到新的突破。

量子计算的概念最早由IBM的科学家R.Landauer及C.Bennett于20世纪70年代提出，他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能、信息与可逆性之间的关系。20世纪80年代初期，美国阿岗国家实验室的P. Benioff提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费因曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的一场演讲中，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年，牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机的概念，量子计算才开始具备了数学的基本形式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。目前的量子计算被看作是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的理论模型基于通用图灵机的计算机，通用的量子计算机的理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。

1、量子比特并行存储

量子位或称量子比特（qubit）是量子计算的理论基石。在经典的计算机中，信息单元用二进制的比特位（bit）来表示，它不是处于0态就是处于1态。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数00、01、10、11中的一个。类似地，N位经典存储器只能存储2N个可能数据中的任一个。

在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它除了处于0态或1态外，还可处于叠加态。根据量子力学态叠加原理，量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，如公式所示的|量子比特> = a|0> + b|1>。

叠加态是0态和1态的任意线性叠加，它既可以是0态又可以是1态，0态和1态各以一定的概率同时存在，即是说可以同时处于两种状态而不是单一状态。通过测量或与其他物体发生相互作用而呈现出0态或1态。任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态和第1激发态、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。

量子计算机中的2位量子比特或叫量子位（qubit）寄存器，可同时存储00、01、10、11这四种状态的叠加状态。类似地，N位量子存储器可以同时存储2N个数，而且随着N的增加，其存储信息的能力将按指数上升。例如一个由250个原子构成的量子比特存储器，可能存储的数量达到2250个。

2、量子比特的并行运算

如果把量子考虑成磁场中的电子，电子的旋转可能与磁场一致，称为上旋转状态，或者与磁场相反，称为下旋状态。如果我们能在消除外界影响的前提下，用一份能量脉冲能将下自旋态翻转为上自旋态，那么，我们用一半的能量脉冲，将会把下自旋状态制备到一种下自旋与上自旋叠加的状态上，这时电子处在每种状态上的概率为二分之一。这表明量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，即1个量子比特可以同时存储0和1。对于n个量子比特而言，它可以承载2n次方个状态的叠加状态。而量子计算机的操作过程被称为幺正演化，幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。这意味着量子计算机如果有500个量子比特，则量子计算的每一步会对2500种可能性同时做出了操作。2500是一个很大的数，它比地球上已知的原子数还要多。这是真正的并行处理，当今的经典计算机，所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情，这也是量子计算机具有难以想象算力的机理所在。如下图所示为目前我国研制出的62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，用最短1.2个小时就能完成世界最强的超级计算机8年才能完成的任务。