實驗和理論物理學家目前都對開發基於量子理論的計算機的前景感到歡欣鼓舞。軍方（他們可以提供大量資金）和大公司也對此有著濃厚的興趣。量子計算是 21 世紀前 20 年中最熱門的科研課題之一，量子計算主要依靠對量子實體（電子，光子或單原子）的操縱，這些量子實體可以同時處於兩種狀態，就像薛丁格著名的「既死又活的」貓一樣。下面是我的題目。
這是計算科學的乙個分水嶺，原因在於量子計算機不僅僅在運算速度上，在其他方面也遠遠超過了傳統計算機。例如，量子計算機可以用來破解傳統計算機完全不可能破解的密碼，這也是軍方和大公司感興趣的主要原因之一。幾十年前這一點在理論上就已得到了證明（理查德•費曼是第乙個對這些問題進行思考的人）；而目前實用的量子計算機已經投入使用了。不可否認的是：迄今為止，如果用量子計算機解決非常簡單的問題，例如，找出 15 的所有因數，就需要大量昂貴又不太可靠的裝置。
但是所有見證了傳統計算機從昂貴又不太可靠，動輒佔據整個實驗室、渾身遍布發光的「閥門」的機器發展到個人電腦和 ipad 整個歷程的人都不會懷疑， 10 年內計算機世界將發生天翻地覆的變化。更神奇的是：這樣的機器將使得物理學家可以更好地把握量子世界的本質，在量子世界中，通訊的傳播速度要超過光速；遠端傳輸成為可能；粒子可以同時位於兩個不同的地點。其影響目前尚不可知，但是可以說，量子計算機所代表的進步遠遠超越了傳統計算機，就像傳統計算機曾經遠遠超越了算盤一樣。
8 個這樣的位元[0或1]構成乙個位元組，此外，我們是在按二進位制而不是十進位制進行運算，乘法運算的步驟不是按照10，100，1000 等進行遞進，而是按照 2，4，8，16 這樣進行遞進。結果就是： 2^10 表示為 1024 ，接近 1000 ，又因為我們習慣於使用十進位制，因此， 1024 個位元組被稱為千位元組。同樣， 1024 個位元組構成乙個兆位元組，而 1024 個兆位元組構成乙個千兆位元組。我的膝上型電腦的硬碟驅動器可儲存 160 千兆位元組的資訊，而「計算機的大腦」- 處理器可以同時處理高達 2 千兆位元組，這些位元組都是以 0 和 1 字串的形式進行儲存的（而這樣的計算機已經很落後了；今年的新型號計算機的功能要強大得多）。
相比之下，量子計算機則完全不同。在量子的世界中，電子等實體可以處於一種疊加狀態。這意味著量子開關可以同時處於「開」和「關」兩種狀態，就像薛丁格的「既死又活的」貓一樣。電子本身具有一種「自旋」的性質，這與我們日常生活中所指的「旋轉」不同，但是可以認為這是指電子在做向上和向下的運動。假設「上」對應於 0 ，而「下」對應於 1 ，那我們就有了乙個二進位制的量子開關。在適當的條件下，量子開關可以同時處於「向上」和「向下」的狀態。或者也可以處於「向上」的狀態或「向下」的狀態，這樣就有了三種可能性！
乙個處於疊加狀態的量子開關可以同時儲存數字 0 和 1 。借用經典計算機的語言來說，這樣的量子開關就叫做量子位元，全稱是「quantum bit」，讀作「cubit」，和聖經中的長度單位「肘」（cubit）同音。量子位元就是指本書標題中的「量子貓」。量子位元的存在令人振奮。例如，兩個傳統的位元可以表示0到3這四個數字中的任何乙個，它們有四種不同的組合方式： 00 ， 01 ， 10 和 11 。要同時表示所有的這四個數字（0，1，2和3），你就需要四對數字，即乙個位元組。但是只需要兩個量子位元就可以同時表示所有這四個數字。作為乙個數字像這樣進行儲存和運算的一組位元（或量子位元）叫做乙個暫存器。乙個暫存器由 8 個量子位元（=1個量子位元組）組成，可以同時表示 28 個數字而不是 4 個數字。那麼，乙個量子位元組中就可以儲存 256 個數字。或者，正如牛津物理學家大衛·多伊奇所說，量子位元組在多元宇宙中表示 256 個不同的宇宙，按某種方式進行著資訊的共享。
在一台正在執行的量子計算機中，任何操作都需要同時在所有 256 個宇宙中，對所有由這個量子位元組的資訊所表示的 256 個數字中的每個數字進行處理，就像我們有 256 臺經典計算機，每一台處理我們宇宙中的問題的乙個方面，或者說，一台計算機需要執行 256 次，每求乙個值都要執行一次。展望更遠的未來，基於 30 個量子位元處理器的量子計算機將具有相當於一台傳統計算機 10 萬億次浮點運算的能力（可以每秒進行萬億次浮點運算）— 這個速度超過今天的傳統台式計算機一萬倍，今天的計算機可以進行每秒 10 億次浮點運算。
這些數字預示著量子計算機的神奇能力；但是關鍵之處在於在計算結束後如何獲取有用的資訊——讓不同的宇宙以適當的方式互相交涉以產生乙個我們可以理解的「答案」，而不會在這個過程中破壞有用的資訊。世界各地的數個研究團隊已經掌握了這個方法，其中包括我所在的蘇塞克斯大學的乙個研究團隊。這本書將告訴你，如何在原則上建造一台量子計算機。但是在這樣的背景下，我想追溯一下機器計算的起源，如我們所知，要追溯到上個世紀30年代，這個時間比人類的壽命還要短，並且我還要介紹一下啟動這一程序的人物的相關研究。
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