3.0　引言

世界上首臺電子計算機問世于1946年的賓西法尼亞大學。現在，辦公室、機房、家庭、飛機、輪船、宇宙飛船等都已有了計算機的身影。智能手機的功能和性能已遠超十多年前的計算機。計算機以比特或位（bit）為單位執行信息存儲、數值計算和邏輯計算等方面指令，依據既定程序運行。程序的主要功能是實現算法，算法通常構建在理想化的計算模型基礎上。對豐富、復雜而巨大的物理世界需求而言，經典的電子計算機（以下簡稱經典計算機）仍存在一些局限性。

20世紀初，人們普遍認為牛頓定律（Newton’s Law）和麥克斯韋定律（Maxwell’s Law）是正確的物理定律。然而，到了20世紀30年代，這些經典理論在試圖解釋某些物理實驗的觀察結果時遇到了困難。此時，一個新的、被稱為量子力學的框架被提出，并在此框架內發展了新的物理理論，稱為量子物理學（Quantum Physics）。量子物理學包括量子電動力學和量子場論。即使讀者不了解這些物理理論，仍然可以學習量子信息，量子信息是在量子框架中重新構建信息理論的結果。

量子計算機（Quantum Computer）就是基于微觀物理的量子力學原理構建的、執行量子信息處理的物理裝置，以量子比特（Qubit）為單位的執行量子信息存儲、數值計算和邏輯計算等方面指令。量子計算機的概念最早是由諾貝爾獎獲得者理查德·費曼于1981年提出的。

由于完全表示一個量子系統所需的數據量是以指數形式增長的，因此經典計算機無法模擬這樣的系統。量子計算機利用量系統的特性，能夠在多項式時間內處理指數級的大量數據。這種計算能力也可以應用于量子力學以外的許多問題。相比于經典計算機，量子計算機更擅長解決某些領域的復雜問題，近年來受到科學界的關注和重視。量子算法的研究已經從簡單的模擬量子物理系統發展到信息理論、密碼學、語言理論和數學等多個領域。