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我们来谈一谈实际上是什么构成了量子计算机。为了便于讨论，我们简单地谈谈“计算机”这个词的含义。
定义 “计算机”是一种将数据作为输入并对这些数据进行某种运算的设备。
我们所说的“计算机”有很多实例，部分实例如图1.1所示。
图1.1 不同种类的计算机的实例，包括霍普海军少将操作的UNIVAC主机，一个解决飞行计算的“人类计算机”房间，一个机械计算器，以及一个基于乐高积木的图灵机。每种计算机都可以用与手机、笔记本计算机和服务器等计算机相同的数学模型来描述。资料来源：“人类计算机”的照片由美国国家航空航天局提供。乐高积木图灵机的照片由Projet Rubens拍摄，在CC BY 3.0许可证下使用
所有这些都有一个共同点：我们可以用经典物理学来模拟它们，也就是用牛顿运动定律、牛顿引力和电磁学来模拟。
这将有助于区分我们习惯的各种计算机（如笔记本计算机、电话、面包机、房屋、汽车、心脏起搏器）和在本书中学习的计算机。为了区分这两者，我们把可以用经典物理学描述的计算机称为“经典计算机”。这样做的好处是，如果我们用“量子物理学”取代“经典物理学”，就有了一个关于量子计算机的漂亮定义！
定义 “量子计算机”是一种将数据作为输入并对这些数据进行某种运算的设备，其过程只能用量子物理学来描述。
换言之，“经典计算机”和“量子计算机”之间的区别正是“经典物理学”和“量子物理学”之间的区别。我们将在本书的后面更多地讨论这个问题。但它们主要的区别是尺度：我们的日常经验主要是与那些足够大和足够热的物体打交道，即使量子效应仍然存在，但整体来看没有起什么作用。虽然量子力学甚至在咖啡杯、面粉袋和棒球棒等日常物体的规模上也起作用，但事实证明，我们仅用经典物理学就能很好地描述这些物体的相互作用。
量子物理学适用于那些非常冷或隔离良好的极小物体。同样，另一个被称为相对论的物理学分支描述了那些尺寸大到足以让引力发挥重要作用或者移动速度非常快（接近光速）的物体。许多计算机依赖于相对论效应，事实上，全球定位卫星在很大程度上也依赖于相对论。到目前为止，我们主要是在比较经典物理学和量子物理学，那么相对论呢？
事实表明，所有利用相对论效应实现的计算也可以用图灵机等纯经典的计算模型来描述。相比之下，量子计算不能描述为更快的经典计算，而是基于不同的数学模型。目前还没有像利用量子物理一样利用相对论的“引力计算机”的提议，所以在本书中我们可以把相对论放在一边，这没有问题。
如果我们将注意力集中在更小规模的系统上，这些系统需要量子力学来描述，那么量子计算就是使用小的、隔离良好的设备来有用地转换数据的艺术，而这种方式不能单独用经典物理学来描述。构建量子设备的一种方式是使用小型经典计算机，如数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）来控制奇异材料的特性。
用于构建量子计算机的奇异材料的名字听起来很吓人，如“超导体”和“拓扑绝缘体”。不过，我们可以从学习理解和使用经典计算机的方式得到慰藉。
我们可以在不知道什么是半导体的情况下为经典计算机编程。同样，我们如何建造量子计算机背后的物理学是一个迷人的主题，但这并不是我们学习如何编程和使用量子设备的必要条件。
量子设备在如何控制的细节上可能有所不同，但最终所有的量子设备都是由经典计算机和某种控制电子设备控制和读出的。毕竟，我们是对经典数据感兴趣，所以最终必须有一个与经典世界的接口。
注意 大多数量子设备必须保持非常低的温度和良好的隔离，因为它们极易受到噪声的影响。
通过利用嵌入式经典硬件来应用量子运算，我们可以操纵和转换量子数据。量子计算的力量来自于对要应用的运算的细心选择，以实现有效的转换，解决感兴趣的问题。