2012年的諾貝爾物理獎被授予阿羅什（serge haroche）和維因蘭德（david j.wineland）以表彰他們“發現測量和操控單個量子係統的突破性實驗方法”。瑞典皇家科學院發布的關於諾貝爾物理獎的公告裏專門強調了他們的研究成果在應用方麵的重大意義：“他們的突破性的方法，使得這一領域的研究朝著基於量子物理學以建造一種新型超快計算機邁出了第一步。就如傳統計算機在上世紀的影響那樣，量子計算機或許將在本世紀以同樣根本性的方式改變我們的日常生活。”阿羅什和維因蘭德的發現在物理上固然十分重要，但量子計算機日益顯現出的潛在應用前景，對他們獲得諾貝爾獎大概也加分不少。
從上世紀70年代起，一些物理學家和計算機科學開始設想基於量子力學原理的計算裝置。1982年，著名理論物理學家費曼（richard feynman，1918—1988，獲1965年諾貝爾物理獎）在一次演講中首次提出了一個利用量子係統進行計算的抽象模型。這標誌著跨越物理學與計算機科學的一個嶄新領域——量子計算的誕生。三年多後，達奇（david deutsch）認識到，以費曼的想法為基礎，起碼在理論上可以建造出通用目的的量子計算機。他在一篇論文裏證明量子計算機可以準確無誤地模擬任何物理過程，這為量子計算從純理論走向實踐開啟了大門。
量子計算的理論基礎是量子力學。量子理論雖然有近百年的曆史，但時至今日我們對量子力學的了解可以說仍是隻知其然而不知其所以然。如果接受量子力學的原理，我們可以從這些原理出發，對微觀世界中的物理現象作出完美的解釋。至於為什麼有這些原理，大概隻有天知道。所以費曼才會宣稱“我想我可以放心地說沒有人懂量子力學”，他這裏說的“懂”當然是指知其所以然。
“薛定諤的貓”是人們在談論量子力學的古怪特性之一——疊加態”時最常引用的一個思想實驗：把一隻貓放進一個封閉的盒子裏，然後把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有毒氣的容器的實驗裝置，設想這個放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發生衰變。如果發生衰變，它將會發射出一個粒子，而發射出的這個粒子將會觸發該裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這隻貓。根據量子力學，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態。但是，如果在一個小時後把盒子打開，實驗者隻能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。問題是，這個係統從什麼時候開始不再處於兩種不同狀態的疊加態而成為其中的一種？在打開盒子觀察以前，這隻貓是死了還是活著抑或半死半活？根據以量子理論創始人玻爾（niels bohr，1885—1962，獲1922年諾貝爾物理獎）為首的哥本哈根學派的解釋，當觀察者未打開盒子之前，貓處於一種“又死又活”的狀態，一旦觀察者打開盒子觀察，貓呈現在觀察者麵前的隻會是“活”或“死”的狀態之一。換言之，當一個量子係統處於疊加態時，如果不對它進行觀測，它會一直處於既是此又是彼的狀態。一但對它進行觀測，它則立刻呈現為非此即彼！如何解釋量子力學裏這類有悖常理的現象多年來一直令物理學家和哲學家們大傷腦筋。不少人都曾嚐試尋找一種說得通的解釋，比如，被不少物理學家所認可的“多重曆史”解釋和與其對立的“多重世界”解釋。但始終沒有真正令人完全滿意的結論。著名理論物理學家霍金（stephen hawking）就不止一次地說過“每當我聽見‘薛定諤的貓’這個詞，就想拔槍”。不過也正由於奇特的量子疊加態的存在，才使量子計算和量子通訊成為可能。
量子計算機的另一個根本原理是基於存在一種所謂的量子纏結態。不妨來看一個簡單的例子。電子是大家比較熟悉的基本粒子，它本身具有兩個自旋態：向上或向下，但如果不進行觀測，它可以處於不上不下的疊加態——就像“薛定諤的貓”處於“又死又活”的狀態一樣。我們可以通過某種物理手段將兩個電子耦合在一起，耦合之後的特性是，如果一個電子的自旋向上，則另一個的自旋也必定向上，如果一個電子的自旋向下，則另一個的自旋也必定向下。這兩個電子形成的耦合態，就是量子纏結態。由於每個電子的自旋在未被觀測的情況下是處於疊加態，所以它們組合而成的體係也處於疊加態。量子纏結有一個奇妙的特點：兩個電子一旦量子纏結在一起，在不破壞它們狀態（即不對其中任何一個進行觀測）的前提下，即使將它們分隔在很遠的距離之外，其量子纏結態也會繼續保持不變。如果對其中之一進行觀測，得到它的自旋是向上的，那麼在此之後對另一個在遠距離之外的電子進行觀測所得到的結果就隻會是向上的。反之亦然。這就相當於將信息（如果把自旋向上/向下看成是0/1）瞬時從一處傳遞到了另一處。時下極為熱門的量子通訊就是基於這種原理。量子通訊目前隻是處於初級的研究階段，離實際應用還差得很遠。最困難的是如何把量子纏結在一起的兩個粒子中的一個不受幹擾地運到遠距離之外，因為一旦被擾動，疊加態將不複存在，一切就都完蛋了。