量子计算是一种全新的计算范式，有望为人类提供超乎想象的计算能力，从而为各个领域乃至我们日常生活带来极其深远的影响。随着一些科技企业巨头的加入，人们似乎能感觉到量子计算机已经距离我们不远了。本文试着回答如下几个问题：什么是量子计算？量子计算能干什么？如何实现量子计算？如何用超导体来做量子计算机？我们距离通用量子计算机还有多远？希望读者们读完之后，能够对量子计算有一个正确的认识，合理的期待！
我们的感官是牛顿力学的，我们的世界却是量子的。人类大约从6万年前开始认识这个世界：通过眼耳鼻舌身来感知，然后在大脑中建立模型，以便于我们能够适应这个复杂而险恶的星球，世世代代繁衍下来。我们身体自然进化出来感官，比如眼睛、耳朵，都是感知宏观物体的，所以当三百多年前牛顿发现力学三定律和万有引力定律之后，人们变得雄心万丈，以为已经找到了撬动地球的那个支点。
直到一百多年前物理大厦的两朵乌云出现，我们才终于慢慢意识到，现实世界底层其实是量子的。而量子现象是违反我们的常识的。又经过了一百年，我们对量子操控和测量技术越来越娴熟，终于，科学家们发出了世纪之问：假如量子世界由我做主，我们能做哪些原本不可能的事情呢？用量子来做计算，就是其中最大胆的一个想法之一。
我们现在使用的电脑、手机和平板等等，最底层的芯片都是由半导体晶体管组成的01电路上。
在逻辑上，我们将这种有0和1两种状态并且可以在这两种状态之间互相转换的单元称之为比特。而为了区别于我们马上要讲的量子比特，我们姑且称它们为“经典比特”。现在计算机上运行的所有程序，都是建立在大量的经典比特之上，按照一定的顺序进行各种逻辑门操作，然后给出最终的结果。了解了经典计算的基本运行原理之后，理解量子计算就不难了。
所谓量子计算，就是把经典比特换成量子比特，把经典的逻辑门换成量子的逻辑门，把经典的测量换成量子的测量。当然还要把经典的算法换成量子的算法。在这样一套基于量子力学基本原理的新体系上产生出来的计算方法，就是量子计算了。
量子比特是一个量子的二能级系统，与经典比特相比，它有两个显著的差别。首先，一个经典的比特，能够表示的状态数只有两个，0或者1。
而一个量子的比特，由于量子态可以处于叠加态，因此它实际上可以表示无穷多个状态。我们可以把这些状态映射到一个半径为1的球面上，球面上的任何一个点，都代表一种可能存在的状态。这个球被称作“Bloch球”，为了致敬第一个发明核磁共振技术的物理学家布洛赫（Felix Bloch，1905-1983）。经典比特（左） vs 量子比特（右）。
上面讲的是单个量子比特和经典比特的区别。
如果是很多的比特，它们还有一个重要区别，就是量子可以纠缠在一起。纠缠是一种特别神奇的量子现象，它说的是多个量子系统组成的复合系统可以处在某种“量子关联”态。在这些状态下，单看每个粒子我们得不到任何信息，必须把它们合起来看才能获得其中的信息。曾经有人打过一个比方：如果是一本经典的书，我们都知道该怎么读，那就是逐句逐页地读完，我们自然就知道里面讲的是什么了。
但如果这本书是量子的，那情况就大不相同，你翻开每一页看，上面都是乱码，只有把整本书合起来看，你才发现故事藏在书页之间的关联之中。
如果我们知道量子计算是如此的令人期待，那么下面进入第二个问题：如何去实现量子计算呢？
从数学上讲，量子计算可以分为如下几个步骤：首先我们要有一组完美的量子比特，并且能够将他们初始化，比如全部初始化到基态；然后将问题的初始条件编码到这些比特中去；接下来就是执行算法的部分，它对应于一组量子门操作，可以写成一个总的幺正矩阵U；执行完算法之后，便要对所有的量子比特进行测量，得到最终的计算结果。
需要注意的是，由于量子测量引起的量子态塌缩是完全随机的，所以上面的过程必须要重复N（N远大于1）次，才能够准确获得末态0和1的分布情况。
物理上要去做量子计算，就是一件非常富有挑战的事情了。因为实际的物理系统，不可能像数学模型那样完美无缺，它们会受到噪声的影响，会受到各种物理条件的制约。更何况我们还要对极其脆弱的量子态做操控和测量。这就是为什么量子计算的理论和算法研究早在上世纪八九十年代就出现了，而实验物理研究却一直到2000年以后才逐渐走上快车道。
超导现象从发现至今已经有超过百年的历史了，这是一种非常罕见的、具有非常陡峭转变而且很robust的物理现象。BCS理论告诉我们，超导是由于所有传导电子在低温下以库珀对的形式集体凝聚到基态而引起的相变。这一相变导致费米能附近打开了一个能隙，任何低于这个能隙的低能过程都无法对电子系统产生有效的激发，从而为各种低能的量子行为提供了绝佳的保护。
量子计算离我们还有多远？2019年10月，Google在Science上刊出了一篇论文，介绍了他们验证了量子霸权的实验结果。这个实验让全世界都备感兴奋，谷歌的CEO皮查伊评价这个实验的意义，就像当年莱特兄弟发明了第一驾飞机。不过，正如第一驾民用客机要到50多年后才诞生，量子计算机走入千家万户，仍有很长的路要走。