Komputer kwantowy to dowolne urządzenie, które wykorzystuje zjawiska mechaniki kwantowej do uruchamiania algorytmów. Ponieważ komputery kwantowe mają zasadniczo inne właściwości obliczeniowe niż komputery konwencjonalne, dane przechowywane w komputerach kwantowych są określane jako kubity, a nie bity. W konwencjonalnych komputerach dane są reprezentowane przez mikroskopijne rowki na dysku twardym. W komputerze kwantowym dane są reprezentowane przez właściwości kwantowe danej cząsteczki lub zestawu cząsteczek.
Zamiast wykonywać obliczenia poprzez pobieranie danych z dysku twardego i przetwarzanie ich za pomocą układu scalonego wypełnionego bramkami logicznymi, komputery kwantowe przetwarzają dane, bombardując cząsteczkę zawierającą informacje krótkimi impulsami promieniowania. Każdy cykl bombardowania reprezentuje operację algorytmiczną na danych zawartych w cząsteczce. Kiedy algorytm się kończy, mierzony jest stan kwantowy cząsteczki, co samo w sobie wpływa na wynik końcowy. Wynika to z fundamentalnie niepewnej natury mechaniki kwantowej.
Aby obejść tę trudność, algorytmy obliczeń kwantowych są uruchamiane wiele razy, a średnia ważona wyniku asymptotycznie zbliża się do prawidłowej odpowiedzi. Ponieważ zjawiska mechaniki kwantowej są z natury raczej probabilistyczne niż deterministyczne, dobrze zdefiniowana odpowiedź za pierwszym razem nie jest możliwa.
Komputery kwantowe posiadają pewne możliwości, których brakuje klasycznym komputerom. Obliczenia kwantowe umożliwiają szybką faktoryzację dużych liczb (wyraźne zagrożenie dla konwencjonalnych technik kryptograficznych), dokładniejszą symulację zjawisk kwantowych oraz bardzo wydajne przeszukiwanie baz danych.
Dla każdej przestrzeni poszukiwań o rozmiarze n węzłów, gdzie każdy węzeł reprezentuje możliwe rozwiązanie problemu, istnieje tylko jedno możliwe rozwiązanie, a każdy węzeł musi być indywidualnie sprawdzany pod kątem właściwości odpowiadających właściwemu rozwiązaniu, obliczenia kwantowe oferują fantastyczne przyspieszenie. W konwencjonalnych komputerach średni czas wyszukiwania to czas potrzebny do sprawdzenia każdego węzła pomnożony przez liczbę węzłów (n) podzieloną przez dwa (prawdopodobnie rozwiązanie zostanie znalezione mniej więcej w połowie wyszukiwania). W komputerach kwantowych średni czas wyszukiwania to czas potrzebny do sprawdzenia każdego węzła pomnożony przez pierwiastek kwadratowy z n. Daje to ogromną przewagę, która staje się bardziej imponująca, gdy rozważamy większe problemy.
Nie można jeszcze wyobrazić sobie wszystkich zastosowań dojrzałych komputerów kwantowych. Największa liczba kubitów, jaka kiedykolwiek była zawarta w jednym systemie obliczeń kwantowych, wynosi 7. Ponieważ badania nad obliczeniami kwantowymi trwają szybko i są finansowane na wiele milionów dolarów, będzie tylko kwestią czasu, zanim nastąpi przełom i wynalezienie imponujących aplikacji.