3.0　引言

世界上首台电子计算机问世于1946年的宾西法尼亚大学。现在，办公室、机房、家庭、飞机、轮船、宇宙飞船等都已有了计算机的身影。智能手机的功能和性能已远超十多年前的计算机。计算机以比特或位（bit）为单位执行信息存储、数值计算和逻辑计算等方面指令，依据既定程序运行。程序的主要功能是实现算法，算法通常构建在理想化的计算模型基础上。对丰富、复杂而巨大的物理世界需求而言，经典的电子计算机（以下简称经典计算机）仍存在一些局限性。

20世纪初，人们普遍认为牛顿定律（Newton’s Law）和麦克斯韦定律（Maxwell’s Law）是正确的物理定律。然而，到了20世纪30年代，这些经典理论在试图解释某些物理实验的观察结果时遇到了困难。此时，一个新的、被称为量子力学的框架被提出，并在此框架内发展了新的物理理论，称为量子物理学（Quantum Physics）。量子物理学包括量子电动力学和量子场论。即使读者不了解这些物理理论，仍然可以学习量子信息，量子信息是在量子框架中重新构建信息理论的结果。

量子计算机（Quantum Computer）就是基于微观物理的量子力学原理构建的、执行量子信息处理的物理装置，以量子比特（Qubit）为单位的执行量子信息存储、数值计算和逻辑计算等方面指令。量子计算机的概念最早是由诺贝尔奖获得者理查德·费曼于1981年提出的。

由于完全表示一个量子系统所需的数据量是以指数形式增长的，因此经典计算机无法模拟这样的系统。量子计算机利用量系统的特性，能够在多项式时间内处理指数级的大量数据。这种计算能力也可以应用于量子力学以外的许多问题。相比于经典计算机，量子计算机更擅长解决某些领域的复杂问题，近年来受到科学界的关注和重视。量子算法的研究已经从简单的模拟量子物理系统发展到信息理论、密码学、语言理论和数学等多个领域。