不同於使用電晶體開/關狀態所代表的位元來處理資訊的傳統電腦，量子電腦使用量子位元（或稱量子位）來儲存和處理資訊。量子位元受量子力學而非古典物理學定律的支配，使量子處理器能夠以根本不同的方式運作。在量子電腦中，資訊被編碼在量子位的量子狀態中，這些狀態可以透過疊加原理以組合形式存在。量子位元之間也可以透過糾纏相互關聯。

這些量子特性使量子電腦能夠解決某些傳統機器無法高效解決或根本無法解決的問題。量子位元本質上是一個量子二能級系統，具有獨特而強大的特性，構成了量子資訊處理的基礎。量子位元可以透過多種量子平台物理實現，包括超導電路、囚禁離子、中性原子、積體光子學和矽基自旋系統，每種平台都為構建可擴展量子處理器提供了不同的優勢。

在傳統電腦中，資訊以二進位方式儲存和處理，這表示單一位元只能表示兩個值：“0” 或 “1”。與傳統位元不同，傳統位元中的資訊由電晶體的 “開” 或 “關” 狀態表示，而量子位元不限於僅處於 “0” 或 “1” 狀態。它實際上可以同時處於兩種狀態。這種現象是量子物理學中的一個基本概念，稱為疊加態。在數學上，我們可以將量子位元狀態（獨立於特定的物理實現）表示為單位球體上的一個點，稱為布洛赫球，其中基態 0 位於 “北極”，激發態 1 位於 “南極”。這種疊加態還可以透過一種稱為糾纏的現象擴展到整個量子位元暫存器中，這是使量子處理器單元 (QPU) 相對於傳統處理器具有計算優勢所需的要素。QPU 可以表示的量子狀態數量以 2N 的比例擴展。

量子電腦相較於傳統電腦的效能提升，轉化為多個產業的應用，包括：密碼學與網路安全、藥物探索、材料科學與設計、供應鏈最佳化、人工智慧與機器學習、氣候模型與能源、計算化學與物理，以及金融服務。

對於許多實際應用案例而言，量子處理單元 (QPU) 可視為專用的模擬加速器。它們不太可能取代傳統電腦，而是會整合到現有的工作流程中，以執行傳統上難以處理的特定步驟，例如模擬複雜的量子系統或探索廣闊的解決方案空間。這種混合式方法可讓量子和傳統系統協同運作，將兩者的優勢發揮到極致。

傳統運算錯誤通常是因為一個或多個位元意外翻轉而發生。錯誤校正策略的開發旨在校正這些位元翻轉，並將系統恢復到預期狀態。現今，傳統運算錯誤校正通常是不必要的，僅在故障會造成災難性後果和/或電腦將處於更容易引入錯誤的環境（例如太空任務）時使用。

量子同調性喪失，亦稱「去同調」，是量子疊加態在測量時崩潰為古典態所致。無論是觀察者有意測量，還是環境雜訊引起，都會發生這種情況。量子系統無法區分兩者。由於去同調現象的存在，量子工程師在建構量子電腦時需要解決以下問題：

1. 量子位元暫存器需要在電磁和熱方面與其環境隔離，避免雜散能量交換。
2. 量子位元操作 (亦即單量子位元和雙量子位元閘) 相對於去相干時間需要快速。
3. 量子位元量測 (讀出) 必須快速，且不應改變量子狀態 (非破壞性)。

因此，量測量子位元同調時間是任何量子實驗室的基石之一。它提供有關量子位元本身及其遮蔽品質、如何使用量子閘操作，以及量子位元讀出特性的重要資訊。

疊加和糾纏的獨特特性，使量子應用（如運算、通訊和感測）能夠實現前所未有的性能。疊加源於量子力學的機率性質，只要系統未被觀測或量測，它就會持續存在。一旦發生量測，量子態就會崩潰為單一、確定的結果。這種行為可以使用布洛赫球來視覺化，其中量子位元的狀態對應於單位球體表面上的一個點。對於超導量子位元，量測通常沿著連接北極和南極的 z 軸進行。位於任一極點的狀態會產生確定的結果（0 或 1），而位於赤道上的狀態則會產生量測任一值的相等機率。

糾纏透過在量子位元之間建立強烈關聯，進一步增強了這些能力，使得每個量子位元的狀態都無法獨立於其他量子位元來描述。這種相互關聯性使得量子操作能夠以高度協調的方式同時作用於多個量子位元，產生干涉效應，從而增強正確結果並抑制錯誤結果。量子處理單元 (QPU) 的運算能力源於這種集體行為：一個由 N 個糾纏量子位元組成的暫存器可由 2ᴺ 個係數來描述，使系統能夠同時表示和操作指數級龐大的可能性空間。因此，量子演算法可以並行探索許多潛在解決方案，對於某些類型的問題，相較於傳統方法，可提供顯著的效率提升。

幾家主要的科技公司現已展示了量子優勢：量子電腦能夠解決傳統超級電腦幾乎不可能解決的問題。量子演算法大幅縮短了執行複雜蒙地卡羅模擬所需的處理時間，並實現了高度複雜的風險評估，這些評估可以將以前無法管理的變數納入考量。

儘管通用量子運算仍在發展中，但專用量子處理器已經在解決最佳化問題，以應用於直接影響業務營運的商業相關應用。預計至少需要五年時間，才能透過專有方法建立量子優勢，作為可持續的競爭差異化因素。

量子通訊是一種利用量子力學原理傳輸資訊的方法，可實現資訊的安全傳輸。量子通訊可透過多種方法實現，包括量子金鑰分發 (QKD)、量子隱形傳態和量子糾纏。任何攔截或竊聽傳輸的嘗試都會導致量子態崩潰，提醒發送方和接收方注意安全漏洞。