Përderisa jemi ende në fillim të shekullit XXI, shumë hulumtues janë duke kërkuar rrugë të reja për të zëvendësuar ose zmadhuar kompjuterët tradicional të bazuar në çipat nga silikoni. Edhe pse rritja e shpejtësise është duke arritur limitet fizike të procesorëve të ndërtuar nga silikoni dhe ato të bazuara në dritë, disa nga alternativat e reja ofrojnë një model krejtësisht të ri të llogaritjeve. Për herë të parë, modelet kompjuterike janë duke u ekzaminuar në një mënyrë të ndryshme nga ajo me të cilin kompjuterët kane kryer llogaritjet që kur Babbage ka publikuar planet për Makinën e tij Analitike.

Bëhet fjalë për kompjuterët kuantikë të cilat paraqesin një revolucion të teknologjisë moderne dhe asaj kompjuterike. Në veqanti, kompjuterët kuantik teorikisht mund të zjigdhin problemet e “vështira” në kohë polinomiale, e poashtu të zgjidhin edhe probleme të cilat ishin të pamundura për t’u zgjidhur më herët nga kompjuterët klasik. Kompjuterët kuantik sido që të jetë, janë ende larg implementimit të tyre të plotë, edhe pse viteve të fundit janë arritur rezultate të sukseshme në testimet e bëra nga shkencëtarët dhe hulumtuesit të cilët janë duke u marrë intensisvisht në këtë fushë. 

Quantum computing është fusha e cila shqyrton fuqinë kompjuterike dhe vetitë tjera të kompjuterëve bazuar në principet e mekanikës kuantike. Objektivi më i rëndësishëm është gjetja e algoritmeve kuantike të cilat janë shumë më të shpejta sesa algoritmet klasike për të zgjidhur të njëjtin problem.

Kjo fushë ka filluar të zbatohet në periudhën e hershme të viteve të 80-ta me sugjerimet për kompjuterët kuantik analog nga Yuri Manin, Richard Feynman dhe Paul Benioff dhe ka arritur përparim të hovshëm më 1985 kur David Deutch ka definuar makinën universale kuantike Turing. Në vitet në vijim ka pasur aktivitete të radha, ku mund të përmendim algoritmet e para nga Deutsch, Jozsa dhe Simon si dhe zhvillimi i teorise së kompleksitetit kuantike nga Bernstein dhe Vazirani. Sidoqoftë, interesimi në këtë fushë është ngritur në mënyrë të jashtëzakonshme pas zbulimit të befasishëm të algoritmit efikas kuantik për problemin e faktorizimin të integer-eve dhe logaritmeve diskrete nga Peter Shor më 1994. Për shkak se shumica nga kriptografitë klasike janë të bazuar në supozimin se këto dy probleme janë të vështira për t’u llogaritur, aftësia për të krijuar dhe përdorur një kompjuter kuantik do te mund të thyente shumicën e sistemeve klasike të sigurisë, sidomos sistemin RSA.

Disa nga qëllimet kryesore praktikë të kompjuterëve kuantikë janë:

1. Procesi i miniaturizimit i cili i ka bërë kompjuterët klasike aq të fuqishëm dhe të lirë, ka arritur në mikro-nivelet ku paraqiten efektet kuantike. Prodhuesit e qarqeve tentojnë të shtypin në maksimum këto efekte kuantike, por më e përshtatshmë do të ishte përdorimi i këtyre efekteve

2. Përdorimi i efekteve kuantike do të shpejtësonte llogaritjet e caktuara, në mënyrë të jashtëzakonshme (ndonjëhere eksponencialisht), dhe poashtu mundëson disa gjëra të cilët janë të pamundura për kompjuterët klasik.

3. Në fund, mund të themi se qëllimi kryesor i shkencave kompjuterike teorike është “studimi i fuqisë dhe limiteve të paisjeve kompjuterike më të fuqishme të mundura në natyrë”. Pasi që natyra jonë në këtë rast është mekanika kuantike, atëhere shkencat kompjuterike do të duhej të studionin fuqinë e kompjuterëve kuantikë dhe jo atyre klasik.

Ne gjendemi ende në fazat e para të kompjuterëve kuantik. Kompjuteri i parë i vogël kuantik 2-kubitësh është ndërtuar më 1997 ndërsa më 2001 një kompjuter kuantik 5-kubitësh është përdorur me sukses për të faktorizuar numrin 15. Që nga atëhere janë bërë progrese eksperimentale të qëndrueshmë, por të ngadalta.

Një gjendje kuantike është një superpozicion i gjendjeve klasike, në të cilën mund të aplikojmë ose një matje ose një operacion unitar.

Superpozicioni është një princip i teorisë kuantike i cili e përshkruan një koncept kompleks përreth natyrës dhe sjelljeve të masës dhe forcave në nivelet sub-atomike. Principi i superpozicionit thotë se përderisa ne nuk e dijmë cila është gjendja e një objekti, aktualisht është në të gjitha gjendjet e mundshme në të njëjtën kohë, për aq gjatë sa nuk e shikojmë për të kontrolluar. Është vetë matja e cila e shkakton që objekti të jetë i limituar në një gjendje të vetme.

Në kompjuterët klasike, një njësi e informacionit është një bit, e cila mund të jetë 0 ose 1. Në kompjuterët kuantik, kjo njësi është biti kuantik – kubit (quantum bit – qubit), i cili është një superpozicion i 0 dhe 1. Nëse e konsiderojmë një sistem me 2 gjendje bazike, 0 dhe 1, identifikimi i këtyre gjendjeve bëhet me anë të vektorëve ( 1 , 0 ) dhe ( 0 , 1 ) respektivisht. Një kubit i vetëm mund të jetë në çfarëdo superpozicion. Kështu që mund të themi se kubiti “jeton” në një hapësirë vektoriale C^2. Në të njëjtën mënyrë mund të përkufizojmë sisteme me më shumë se një kubit, të cilët “jetojnë” në hapësirën e disa sitemeve kubite. Për shembull, një sistem 2 kubit ka 4 gjendje bazike 0x0, 0x1, 1x0, dhe 1x1. Këtu për shembull 1x0 do të thotë që kubiti i parë është ne gjendjen bazike 1 dhe kubiti i dytë në gjendjen bazike 0. Këto sisteme 2 kubite ndonjëhere quhen EPR – çiftet për nder të shkencëtarëve Einstein, Podolsky dhe Rosen.

Nga kjo mund të përfundojme se një regjistër me n kubita ka 2^n gjendje bazike. Nga kjo arrijmë në përfundim se një sistem me 100 kubit mund të ketë më shumë gjendje bazike sesa i gjithë numri i atomeve në univers (2^100 gjendje bazike). Këtu mund të vërehet fuqia e vërtetë e kompjuterëve kuantikë.

Sipas ligjit te Moorit, numri i transistorëve të një mikroprocesori dyfishohet qdo 18 muaj. Sipas ketij zhvillimi në qoftë se do të ketë kompjuterë të sotëm në vitin 2020, ai do të funksionoj në 40GHz shpejtësi të CPU-s me 160GB Ram. Në qoftë se e përdorim një analog të Ligjit të Moorit për kompjuterët kuantikë, numri i bitave kuantike do të dyfishohet qdo 18 muaj. Mirepo shtimi i vetëm nje kubit ështe i mjaftueshëm për të dyfishuar një shpejtësi. Kështu, shpejtësia e një kompjuteri kuantik do të rritet më shumë sesa vetëm të dyfishohet. 

Ekzistojnë dy lloje të algoritmeve të cilat i përdorin kompjuterët kuantik. Algoritmi i parë dhe më i përdorur, është një algoritëm klasik i simuluar. Në këtë rast kompjuteri kuantik shfrytëzon aftësitë e tij të një kompjuteri universal dhe simulon veprimet e një kompjuteri klasik. Këto algoritme mundësojnë operacionet e thjeshta siq janë mbledhja, zbritja, shumëzimi etj.

Lloji tjetër i algoritmit është algoritmi i vërtetë i kuantik. Ky lloj i algoritmit nuk simulon veprimet e një kompjuteri klasik. Në fakt një kompjuter klasik do të kishte të pamundur të simulojë qfarë ndodh gjatë ekzekutimit të një algoritmi kuantik. Këto algoritme janë të vështira për t’u ekzekutuar, dhe janë të dizajnuara për përdorime shumë specifike, sikurse zgjidhja e problemeve të “vështira”. Jo vetëm që duhet të gjendet një algoritëm i përshtatshëm për të shfrytëzuar superpozicionin e kubit-ëve, por për shkak të natyrës së mekanikës kuantike dhe operacioneve të tyre, duhet të gjendet një metodë e cila determinon cila nënbashkësi e bashkësisë së të gjitha rezultateve të mundshme është rezultati i “saktë”. Kjo shpesh përfshin ekzekutimin e algoritmit disa herë, e cila edhe pse duket si një ide e ngadalshme, ende ofron një avantazh të madh në ekzekutimin në kohë lineare, për dallim nga koha eksponenciale për algoritmet jo-kuantike.

Ne maj të vitit 2011, D-Wave Systems shfaqën D-Wave One, një sistem kompjuterik kuantik i cili funksionon në një procesor 128-qubit. Procesori i perdorur në D-Wave One i koduar me emrin "Rainier", performon një operacion matematikorë të vetëm, Optimizimin Diskret. Rainier përdor forcë kuantike për të zgjidhur problemet e optimizimit. D-Wave One pohohet që është kompjuteri i parë kuantik i cili ishte në dispozicion.

Më 25 Maj, 2011, Lockheed Martin nënshkroi një kontrate shumë vjeqare me D-Wave System për të realizuar përfitimet e bazuara mbi një procesor kuantik, për të zgjidhur disa nga problemet më të vështira që ekzistonin në Lockheed. Kontrata përfshinte blerjen e D-Wave One Kompjuterit Kuantik, mirëmbajtjes, dhe këshillave profesionale të përbashketa. Ky kompjuter është blerë nga Lockheed Martin për 10 milion dollarë.

Në fillim te vitit 2012, D-Wave Systems shfaqën kompjuterin kuantik 512 Qubit, i koduar me emrin Vesuvius. Në maj te vitit 2013 Catherine McGeoch, një konsultente për D-Wave publikoi krahasimin e parë ndermjet teknologjisë kuantike dhe kompjuterave më të shpejtë në botë të cilët perdorin algoritme tepër te shpejta. Duke perdorur një konfigurim prej 439 Qubits, sistemi performoi 3600 here më shpejtë sesa CPLEX, algoritmi më i mirë në kompjuteret e sotëm, duke i zgjedhur problemet me 100 ose më shumë variabla për gjysmë sekonde në krahasim më gjysme ore që merrnin kompjuteret më të shpejtë.

Në maj te vitit 2013, ishte shpallur se nje bashkepunim ndermjet NASA-s, Goggle dhe The Universities Space Research Association (USRA) dhe ata krijuan një laborator artifical kuantik në NASA Advanced SuperComputing Division në Qendrën kërkimore të Ames në Kaliforni duke perdorur një 512 qubit D-Wave Two që do të perdorej për kerkime në machine learning, e degë të tjera.

Më 20 gusht të vitit 2015, D-Wave shfaqi edhe një kompjuter tjetër kuantik, këte here D-Wave 2X Kompjuterin, më 1152 Qubits (meqenëse për shkak se ndertimi mund të jete pak më i ndryshëm në secilin kompjuter, do të ishin të mundshme për shfryezim më pak se 1152 Qubits).

D-Wave 2X procesori është i bazuar në një chip 2048 qubit, mirëpo gjysma e Qubits janë të deaktivizuara, mirëpo keto mund të riaktivizohen më vonë. 

Aplikimi i cili ka gjeneruar shumë interes në kompjuteret kuantik më shumë se çdo gjë tjeter ka qenë kriptografia kuantike. Shumica e formave kriptografike bazohet në faktin se brute force dekriptimit i nevojitet faktorizimi i numrave shumë të medhenjë. Ky brute force faktorizim mund të marr një kohë me dekada në kompjuterët klasike, mirepo falë Algoritmit të Shor-it kompjuterët kuantike mund ta zvogelojnë këte kohe prej eksponenciale në lineare, keshtu duke e ridefinuar fushën dhe duke e berë kompjuterin kuantik të nevojshëm për çfarëdo organizate e cila mirret me kriptografi.