Una computadora cuántica es cualquier dispositivo que explota fenómenos de la mecánica cuántica para ejecutar algoritmos. Debido a que las computadoras cuánticas tienen propiedades computacionales fundamentalmente diferentes a las de las computadoras convencionales, los datos almacenados en las computadoras cuánticas se denominan qubits en lugar de bits. En las computadoras convencionales, los datos se representan mediante ranuras microscópicas en un disco duro. En una computadora cuántica, los datos se representan mediante las propiedades cuánticas de una determinada molécula o conjunto de moléculas.
En lugar de realizar cálculos recuperando datos de un disco duro y procesándolos utilizando un circuito integrado lleno de puertas lógicas, las computadoras cuánticas procesan datos bombardeando la molécula que contiene información con pulsos cortos de radiación. Cada ciclo de bombardeo representa una operación algorítmica sobre los datos contenidos dentro de la molécula. Cuando termina el algoritmo, se mide el estado cuántico de la molécula, un proceso que, a su vez, influye en el resultado final. Esto se debe a la naturaleza fundamentalmente incierta de la mecánica cuántica.
Para sortear esta dificultad, los algoritmos de computación cuántica se ejecutan varias veces y el promedio ponderado de la salida se acerca asintóticamente a la respuesta correcta. Debido a que los fenómenos de la mecánica cuántica son intrínsecamente probabilísticos en lugar de deterministas, no es posible una respuesta bien definida en el primer intento.
Las computadoras cuánticas poseen ciertas capacidades de las que carecen las computadoras clásicas. La computación cuántica permite la factorización rápida de grandes números (una amenaza explícita para las técnicas criptográficas convencionales), la simulación más precisa de fenómenos cuánticos y una búsqueda de bases de datos muy eficiente.
Para cualquier espacio de búsqueda de nodos de tamaño n, donde cada nodo representa una posible solución a un problema, solo hay una solución posible, y cada nodo debe verificarse individualmente en busca de propiedades que correspondan a una solución correcta, la computación cuántica ofrece una aceleración fantástica. En las computadoras convencionales, el tiempo de búsqueda promedio es el tiempo que se tarda en verificar cada nodo multiplicado por el número de nodos (n) dividido por dos (es probable que la solución se encuentre aproximadamente a la mitad de la búsqueda). En las computadoras cuánticas, el tiempo de búsqueda promedio es el tiempo que se tarda en verificar cada nodo multiplicado por la raíz cuadrada de n. Esto confiere una gran ventaja que solo se vuelve más impresionante cuando estamos considerando problemas más grandes.
Todavía no es posible concebir todas las aplicaciones de las computadoras cuánticas maduras. El mayor número de qubits jamás contenido en un sistema de computación cuántica es 7. Como la investigación de la computación cuántica continúa rápidamente con muchos millones de dólares en financiamiento, solo será cuestión de tiempo hasta que ocurra un avance crítico y se inventen aplicaciones impresionantes.