V roce 1994 bylo pomocí algoritmu faktorizováno (rozloženo na prvočísla) číslo zapsané z posloupnosti 129 nul a jedniček. Výpočet provádělo paralelně 1600 pracovních stanic po dobu osmi měsíců. Se stejnou výpočetní technikou by faktorizace čísla složeného z tisíce nul a jedniček trvala 1025 let. Ve stejném roce navrhl P. W. Shor algoritmus faktorizace postavený na kvantové logice. Obtížnost algoritmu je kvadratická! To znamená, že z 1025 let se stává záležitost několika sekund.
Princip obrovského rozvoje počítačů stojí na neustálé miniaturizaci elektroniky. Toto však samozřejmě není možné donekonečna. V roce 2012 se podařilo vyrobit jednoatomový tranzistor, čímž jsme se dostali k pomyslné hranici, přes kterou není principiálně možné postupovat dál. Roku 2000 společnost IBM sestavila první kvantový počítač na světě, který dokázal zpracovat 5 qubitů (kvantových bitů) informace. Roku 2011 se na trhu (!) objevil první kvantový počítač od společnosti D–Wave Systems s výpočetním výkonem 128 qubitů za 10 milionů dolarů.
Bit vs. Qubit
Jedním z principiálních odlišností mezi „současnými“ standardními počítači a kvantovými počítači je základní jednotka informace. V případě standardních počítačů musí být stav „bitu“, informace, vždy jen 1 nebo 0. Rozdíl je pak takový, že qubit může nabývat hodnot 1 a 0, ale současně i libovolné hodnoty mezi tím, tedy stavy ani 1 ani 0. Toto se také označuje jako superpozice. To znamená, že pokud se na daný objekt „podíváme“ (pokusíme se ho změřit), samozřejmě nemůže být buď jedno, nebo druhé. Proto tímto naším zásahem do systému dojde k tzv. kolapsu vlnové funkce, tedy redukce ze superpozice několika vlastních stavů měřených veličin na jeden z těchto vlastních stavů. Když se díváme kolem sebe, jediné, co vlastně vidíme a vnímáme, jsou odražené fotony od různých objektů, které dopadají na naši sítnici. I tyto fotony však interagují (narážejí) s danými objekty. Třeba lidské tělo je dostatečně velké, takže je tato změna nepozorovatelná. Čím je objekt menší, tím jsou změny lépe pozorovatelné. V případě, že se dostáváme na úroveň např. atomů, fotony, které nám zprostředkovávají obraz atomu, s atomem „hýbnou“ a my vlastně nemůžeme vidět skutečný stav. Tento princip pak samozřejmě platí i v případě qubitů. Objevuje se nám proto první omezení. Není možné se dovnitř „podívat“ jak výpočet vypadá. Nelze provádět ladění algoritmu. Problematika nemožnosti měření vychází z Heisenbergova principu neurčitosti.
Standardní vs. kvantový počítač
Klasický počítač musí při výpočtu či vyřešení algoritmu čekat na úplné informace, aby mohl úlohu vůbec začít řešit. Kvantový počítač má díky principu, jenž byl vysvětlen výše, zadanou úlohu prakticky „předřešenou“. Zjednodušeně lze říci, že díky schopnosti qubitů být v množství rozličných stavů, v kvantovém počítači se již všechna řešení zadaného algoritmu nacházejí, což znamená, že při vložení vstupních dat (zadání) dostaneme výsledek prakticky okamžitě. Kvantový počítač totiž počítá „paralelně“, stejně jako lidský mozek. Pokud hrajete šachy proti standardnímu počítači, máte určitou výhodu. Zvažujete pouze možnosti, které „dávají smysl.“ Naproti tomu váš počítačový protihráč musí postupně projít všechny možné kombinace. To znamená, že v případě počítání do hloubky pouhých tří tahů, musí projít 9 000 000 možných partií. Pokud se proti vám postaví kvantový počítač, díky tomu, že „myslí“ podobně jako váš mozek, projde těch 9 milionů při dostatečném množství qubitů (představte si zde například paralelu s neurony) téměř okamžitě.
Heisenbergův princip neurčitosti
Jak bylo výše zmíněno, jedním z největších problémů je problematika vložení vstupních informací, tedy udržení „atomů“ v superpozici (i následný odečet výsledků), aniž by došlo ke kolapsu vlnové funkce. Dalším problémem je, že je potřeba celý systém dostatečně izolovat od okolního prostředí, neboť interakcí s okolím by opět došlo k zásahu do systému a praktickému znehodnocení informace. Z toho důvodu i první komerčně prodávaný kvantový počítač vyžaduje chladicí systém s tekutým héliem v kombinaci se supravodivými materiály. I toto se již podařilo překonat a v budoucnu by měl být počítač schopen pracovat za pokojových teplot. Pro samotnou implementaci qubitů a tedy i kvantového počítače jsou aktuálně známé tři principy. Jedná se o využití spinu částic, excitace elektronu nebo využití polarizace fotonů. V prvně jmenovaném případě dosáhneme superpozice stavů tak, že elektron zasáhneme přesným množstvím záření, které má právě tak „akorát“ energie na zastavení „rotace“. Elektron ovšem nějaký spin mít musí, a proto je zde 50% pravděpodobnost, že spin zůstane a 50% pravděpodobnost, že se změní.