量子計算機是一種遵循量子力學(xué)原理的物理裝置，它能夠進行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲以及處理量子信息。當(dāng)這種裝置用于執(zhí)行量子算法時，它就被稱為量子計算機。這一概念源自對可逆計算機的研究，目的是為了克服傳統(tǒng)計算機在能耗方面的局限。與傳統(tǒng)的數(shù)字計算機不同，量子計算機采用量子比特（qubit）作為信息處理單元，這使得它們能夠同時表示0、1以及兩者的疊加狀態(tài)。例如，一個處于磁場中的原子可以同時存在于向上和向下的狀態(tài)，這是量子疊加現(xiàn)象的一個例子。這種特性使得量子計算機能夠在同一時間處理多種可能性。在量子計算的模型中，可以設(shè)想一串原子，它們在磁場中的旋轉(zhuǎn)方向相同。當(dāng)激光束照射在這些原子上方時，會隨機翻轉(zhuǎn)一些原子的旋轉(zhuǎn)方向。通過測量激光束進入和離開時的差異，量子計算機能夠完成復(fù)雜的計算任務(wù)。從數(shù)學(xué)的角度來看，量子計算機執(zhí)行的是以集合為基本運算單元的計算，而傳統(tǒng)計算機則以元素為基本運算單元。以函數(shù)y=f(x)，x∈A為例，量子計算機能夠一次性得到輸出值域B，即B=f(A)，而傳統(tǒng)計算機需要對每個參數(shù)x進行多次計算，逐一得到輸出值y，即y=f(x)，x∈A，y∈B。然而，量子計算機的一個挑戰(zhàn)是，輸出值域B中的有效值只能以概率的方式隨機取出。雖然可以通過將不希望的輸出導(dǎo)向空集來減少輸出集B中的元素數(shù)量，但在需要所有有效值的情況下，量子計算機仍然需要進行多次計算。