在經典計算機裡，存儲的信息單位是比特（bit），比特使用二進位，也就是說一個比特表示的不是「0」就是「1」。
但是，在量子計算機裡，情況會變得完全不同，量子計算機的信息單位是量子比特（qubit），量子比特可以表示「0」，也可以表示「1」，甚至還可以是「1」和「0」的疊加狀態（superposition），即同時等於「0」和「1」，而這種狀態在被觀察時，會坍塌成為「0」或是「1」，也就變成了確定的值，其實也就和經典量子理論「薛丁格的貓」是一個道理（把一隻貓放到一個不透明的特殊盒子中，在打開盒子前，這隻貓既可能是死的，也可能是活的，打開後，兩種可能性才坍塌到其中一種）。除此之外，兩個量子比特還可以共享量子態，無論這兩個量子比特離得多遠，也就是所謂的「量子糾纏」（entanglement）。
量子比特的這種特性會帶來什麼好處呢？
理論上，2個量子比特的量子計算機每一步可以做到2的2次方，也就是4次運算，所以說，50量子比特的運算速度（2的50次方=1125億億次）將秒殺最強超級計算機（目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次）。
說得再具體一點，拿《火影忍者》舉例的話，那就是佐助是經典計算機，鳴人是量子計算機，要找一個東西，佐助只能自己一個一個地方跑去找，也許要找一年。
但是鳴人可以分出5個影分身，然後5個影分身再分出5個影分身，分身的分身再分身，所有分身都同時去不同的地方，瞬間找到東西，然後分身收回，只剩一個鳴人，取回東西，完成。
雖說理論上來說，量子計算機計算能力驚人，但是量子計算機也存在致命的缺點，主要有兩點，這也是量子計算機一直發展緩慢的主要原因，第一是非常不穩定，需要低溫運行，第二是精度差，錯誤率高。
成也蕭何敗蕭何，量子計算之所以能達到如此神速，就是因為量子比特的疊加狀態和量子糾纏，但與此同時，量子疊加和糾纏狀態是極度脆弱的，不能受到一丁點幹擾，量子計算機必須在極度低溫條件下工作，低到什麼程度呢？零下273攝氏度差不多吧，這就好比拿一根很細很細的針頂起一個雞蛋，稍有幹擾，結果就會變得一片狼藉。
其次，因為量子比特的不穩定性，量子計算的精度也存在問題，保真度（fidelity）不高。保真度是什麼呢？打個不恰當的比方，就好像你拿100塊錢去銀行櫃檯存了又取，取了又存，來回幾次，最後取回來的錢卻只有60了，那保真度也就只有60%。
而且就算這些問題都可以得到解決，量子計算機對於處理日常任務並沒有什麼用處，對於普通人的生活影響不大。但在某些特殊領域裡，量子計算機有傳統計算機所不具有的能力，比如在化學和材料學裡模擬分子結構，還有處理密碼學、機器學習的一些問題，後文會詳細說到，在此不贅述。
科技巨頭混戰，量子霸權到底是真是假？正因量子計算機有很多經典計算機所無法比擬的優點，目前谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭都已紛紛入局，搶奪高地。而這其中，「50量子比特」成為一個重要門檻。
2017年11月的《自然》雜誌採訪中，谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）提出，當一臺量子計算機具有大約50量子比特的時候，其計算能力和速度將超過世界上任何計算機，能解決經典計算機所解決不了的問題。
因此，業內也將達到50量子比特的計算機稱為達到了「量子霸權/量子優越性（Quantum Supremacy）」，即50量子比特的量子計算機優於現在市面上的任何一臺經典計算機。
那我們到底離「量子霸權」還有多遠呢？
一方面，科技巨頭們都宣布了不少量子計算領域的技術突破，不少媒體也對此加以渲染，稱他們離「量子霸權」只有一步之遙，而另一方面，客觀來說這些巨頭離達到量子霸權還很遠。
實現量子霸權的方式，即做出能超越經典計算機的量子計算機的方式有很多種，包括單光子量子計算、超導量子計算等。
英特爾這個月交付的49量子比特（qubits）超導量子計算測試晶片「Tangle Lake」，這塊晶片是英特爾與其學術界合作夥伴QuTech合作完成的，該款晶片是基於超導體，要求非常低的工作溫度約-273攝氏度。儘管如此，英特爾還在研究基於更傳統半導體的「自旋量子比特」。
據英特爾稱，自旋量子比較像一個類似於傳統電晶體的單電子電晶體。此外，英特爾還宣稱已經開發出一種在300毫米矽晶片上製造自旋量子比特的工藝。雖然英特爾的這款量子晶片非常值得肯定，但是，做出量子晶片和做出量子計算機是有區別的，做出了50量子比特的量子晶片也不意味著能做出50量子比特的量子計算機，而且量子計算機的計算速度也不僅僅是由量子比特數目所決定，同時還應該要保證量子計算機的精度和保真度。
谷歌是最早進軍量子計算機的公司之一，在2015年，谷歌約翰·馬丁尼團隊聯合NASA和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱，谷歌當時還宣稱將要在2017年年底做成49量子比特量子計算機，不過很可惜，目前還沒有關於此事的消息。
2017年11月10日，IBM對外宣布，已經研發成功20量子比特的量子計算機，可在年底向付費用戶開放，同時，IBM還成功開發了一臺50量子比特的原型機，但是IBM Q研究副總裁達裡·奧吉爾（Dario Gil）表示，量子比特數量增加只是一方面，處理的量子比特數越多，量子比特之間的交互就會越複雜，因此，50量子比特的原型機雖然有更多的量子比特，這些量子比特的疊加態、糾纏態也會造成錯誤率很高的結果，無法保證精度和保真度，所以它不見得會比5量子比特的計算機更實用、更強大。
除此之外，各個巨頭還推出了一些量子計算機的開放平臺，比如IBM在2017年推出了量子計算服務IBM Q系統（20量子比特量子計算雲服務），這個系統的前身是IBM在2016年開放的Quantum Experience系統（5量子比特量子計算雲服務），這兩個系統可以提供給用戶試用IBM公司所造的5量子比特和20量子比特的量子計算機。除了IBM，微軟也在2017年12月推出了自己的量子計算機開發包（Quantum Development Kit），可以讓用戶在其開放平臺上，用專用量子計算機程式語言Q#進行編程。
除了科技巨頭的參與，初創公司的表現也非常亮眼，在2011年，加拿大初創公司D-Wave推出了具有128個量子比特的D-Wave One型量子計算機，這個初創公司吸引了很多人的眼球，它使用的是「量子退火」算法（Quantum Annealing），但是，D-Wave One到底算不算真正的量子計算機還存在爭論，因為，雖然這種算法確實實現了量子比特，但是量子比特之間基本沒有量子糾纏，所以嚴格來說不能算真正的量子計算機。不過，這款量子計算機確實在一些領域可以超越經典計算機。
國外巨頭和初創都在爭分奪秒的研發量子計算機，同時，國內大佬也坐不住了，在2015年的時候，中科院宣布與阿里巴巴旗下阿里雲共同成立量子計算實驗室，並於2017年5月宣布造出第一臺光量子計算機。中科院和阿里的這個光量子計算機，實現的是10量子比特。
總的來說，真正的「量子霸權」不僅僅是光看量子比特數的競賽，就算做到1000量子比特，無法做到系統的可控性和可靠性，也算不得是量子霸權，這也是為什麼2015年時，谷歌實現9個超導量子比特的高精度操縱就足以讓全世界驚嘆。
量子計算理論和技術的發展歷程了解了量子計算機領域激烈的巨頭混戰，那麼量子計算理論的發展又是怎麼樣的呢？
量子計算理論從首次提出到現在已經有三十多年，在1981年時，諾貝爾獎獲得者理察·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算機的概念。
1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝傳統計算機，這也是在量子計算理論提出十多年後的第一次實驗。
自此，投資者開始發現量子計算機的可行性，也許量子計算機未必會有那麼多運算錯誤，也許可以嘗試造出一臺處於穩定狀態的量子計算機。
隨後的十幾年，無數的資金進入量子計算研究領域，量子計算迎來了很多技術研究進展：D-Wave的量子退火、英特爾的矽量子點等等，這些研究成果都各有優缺點，但是都還沒有解決最根本的問題。現在主要的技術難點在於精確的實現量子比特的調控、兩兩之間的糾纏、維持它們的量子狀態等，也就是系統的可控性和可靠性。
技術上的瓶頸並沒有得到很好地突破，但是科技巨頭們依然在量子計算這條路上你追我趕，為什麼呢？主要原因在於現有的晶片線程越來越小（納米級），量子力學現象會成為計算機的Bug，這個Bug具體來說是這樣的，計算機裡面有很多電晶體，電晶體像一個開關控制電子進程，但是未來的元件做到納米級後，比如納米級的電晶體，那這個開關可能會失效，因為根據量子力學，電子可以直接通過納米級電晶體，到了那個時候，這就會是經典計算機無法解決的大Bug。
另一方面，因為經典計算機已經快要達到它的極限，其晶片越來越小，晶片的元件小到只有原子大小， 而且就算達到極限，經典計算機也解決不了未來可能會出現的許多問題。比如，優化問題，也就是從無數種可能性中找出最優的解決方法，經典計算機只能一個一個的去找，但是量子計算機可以並行運算，毫不誇張的說，經典計算機可能要算一年，量子計算機只用一分鐘就能搞定。
還有就是經典計算機化學問題、生物問題上的無力。IBM實驗量子計算團隊經理——Jerry Chow曾在TED演講上舉過一個生動的例子，一個咖啡因分子，不如水分子簡單，但也沒有DNA或是蛋白質分子複雜，如果我們要用經典計算機來模擬一個咖啡因分子，世界上現有的任何電腦都不行，就算你做再多電晶體，做一個和地球一樣大的計算機，或者一個和太陽系一樣大的計算機，甚至是和銀河系一樣的計算機，都沒辦法模擬一個咖啡因分子，然而量子計算機卻可以做到。
總而言之，在經典計算架構發展瓶頸日益凸顯的當下，量子計算機被認為是計算領域最受看好的方向之一。
不過這個未來什麼時候才能來，誰都不清楚，也許十年以內不會到來，根據英特爾實驗室公司副總裁兼總經理邁克·梅伯裡（Mike Mayberry）的說法：「我們預計這個行業將需要五到七年的時間才能解決工程規模問題，並且可能需要100萬或更多的量子比特才能達到商業目的。研究人員仍然需要弄清楚如何解決一些問題，包括糾正單個量子比特的脆弱量子態，將軟體算法映射到量子硬體，建立局部控制電子學來控制量子系統並得到結果」。
結語：量子計算機將重造整個世界量子計算之所以如此重要，除了因為它「快」，還因為它可以重新定義程序和算法，顛覆眾多領域，例如：
軍事方面，一切現有的密碼學全都要被重新改寫，因為用量子計算機能輕易破譯所有密碼；醫學方面，量子計算機可以模擬人體內的各種化學分子，建立起醫學模擬的新模型；此外還有氣象學、材料科學等種種領域都面臨著量子計算的顛覆。
不過，目前我們離真正的量子計算機還有距離，現在，量子計算機還只是非常初步的階段，量子比特的脆弱、不穩定性還有低精度的問題還沒有解決，要實現實用量子計算機還有很長的路要走。
本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容
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