Kvanttitietokone
Toteutustapoja

Kvanttitietokoneiden rakentamisessa kokeillaan ja yritetään monenlaisia fysikaalisia totutustapoja. Vaikka moni niistä havainnollistaa perusperiaatteet, mikään ei ole edistynyt kokeellista käyttöä pitemmälle. Neljä lupaavinta lähestymistapaa ovat suprajohteet, ioniloukut, kvanttipisteet ja fotoniset.
Vuonna 1998 Isaac Chuang Los Alamos National Laboratorysta, Neil Gershenfeld Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) ja Mark Kubinec Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä kehittivät ensimmäisen, 2-kubittisen kvanttitietokoneen, johon voisi syöttää dataa ja saada tulokseksi ratkaisun. Vaikka heidän järjestelmänsä oli koherentti vain muutaman nanosekunnin ja triviaali merkittävien ongelmien ratkaisemisen kannalta, se havainnollisti kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita. Subatomisen hiukkasen eristämisen sijaan he hajottivat suuren määrän kloroformimolekyylejä (CHCL3) huoneenlämpöiseen veteen ja käyttivät magneettikenttää sen hiili- ja vetyatomien spinien orientoimiseen. Koska normaalilla hiilellä ei ole magneettista spiniä, heidän ratkaisunsa oli käyttää hiilen isotooppia 13. Ulkoisen magneettikentän suuntainen spin voitiin tällöin tulkita  tulkita 1:ksi ja vastasuuntaisena 0:ksi, ja vety- ja hiili-13-ytimiä voitiin kollektiivisesti pitää 2-kubittisena järjestelmänä. Ulkoisen magneettikentän lisäksi radiotaajuista pulssia käytettiin spin-tilojen kääntämiseen yhdensuuntaisen ja vastasuuntaisen tilan välillä. Lisäpulsseja lähetettiin yksinkertaisen algoritmin suorittamiseen ja järjestelmän lopputilan tutkimiseen. Tämän tapaista kvanttitietokonetta voi laajentaa käyttämällä molekyylejä, joissa on enemmän yksilöllisesti kohdistettavia atomiytimiä. Vielä maaliskuussa 2000 Emanuel Knill, Raymond Laflamme ja Rudy Martinez Los Alamokselta ja Ching-Hua Tseng MIT:stä kertoivat valmistaneensa 7-kubittisen tietokoneen käyttämällä trans-krotonaldehydihappoa. Monet tutkijat suhtautuvat kuitenkin epäillen tämän magneettisen menetelmän laajentamiseen yli 10:n ja 15 kubitin, koska koherenssi pienenee nopeasti atomiytimissä.
Viikko ennen 7 kubitin tietokoneen julkaisemista fyysikko David Wineland ja hänen kollegansa (NIST):stä kertoivat tehneensä 4 kubitin kvanttitietokoneen lomittamalla neljä ionisoitunutta berylliumatomia sähkömagneettiseen ”loukkuun”. Sen jälkeen, kun ionit oli vangittu lineaarisella järjestelyllä, lasersäde jäähdytti hiukkaset lähelle absoluuttista nollapistettä ja synkronoi niiden spin-tilat. Lopuksi hiukkaset lomitettiin laserilla, mikä loi superposition "spin ylös"- ja "spin alas" -tilojen välille samanaikaisesti kaikille neljälle ionille. Jälleen tämä havainnollisti kvanttitietokoneiden perusperiaatteet, mutta tämänkin tekniikan laajentaminen käytännöllisiin mittasuhteisiin on ongelmallista.
Puolijohteisiin perustuvat kvanttitietokoneet ovat yksi toteutusvaihtoehto. Eräs lähestymistapa on joukko eristettyjä vapaita elektroneja (kubitteja), jotka sijaitsevat erittäin pienillä alueilla, joita kutsutaan kvanttipisteiksi. Kukin kahdesta spin-tilasta tulkitaan nollaksi tai ykköseksi. Vaikka tämä on altis dekoherenssille, sellaiset kvanttitietokoneet pohjautuisivat hyvin tunnetuille kiinteän aineen tekniikoille ja niihin voitaisiin soveltaa integroitujen piirien mittakaavan teknologiaa. Lisäksi suuri joukko identtisiä kvanttipisteitä voitaisiin mahdollisesti tehdä yhdelle sirulle. Siru toimii ulkoisessa magneettikentässä, joka ohjaa elektronien spin-tiloja, kun taas naapurielektronit ovat heikosti kytkeytyneet toisiinsa (lomittuneet) kvanttimekaanisten ilmiöiden seurauksena. Kokoelma päällekkäisiä lankaelektrodeja sallii yksittäisten kvanttipisteiden käsittelyn, algoritmien suorittamisen ja lopputuloksen päättelemisen. Sellaista järjestelmää täytyy käyttää lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä, jotta ympäristön dekoherenssi saataisiin minimoitua, mutta siinä voidaan toteuttaa järjestelmiä, joissa on suuri määrä kubitteja.
Tulevaisuudessa kvanttitietokoneita saatetaan käyttää koodinmurtamisessa (katso kryptografia) ja suurien tietokantojen hakemisessa. Teoreetikot kemiassa, tietojenkäsittelytieteessä, matematiikassa ja fysiikassa työstävät kvanttitietokoneiden rajoituksia ja mahdollisuuksia.