Στον τομέα της κβαντικής ηλεκτρονικής, οι επιστήμονες μελετούν την αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης σε κβαντικό επίπεδο. Χρησιμοποιώντας γνώσεις από την ηλεκτρονική και τη φυσική, οι επιστήμονες σε αυτόν τον τομέα έχουν κάνει πολλές προόδους στην οπτική και τη ραδιοφυσική. Μηχανές όπως το Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (λέιζερ) και το Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (maser) είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στον τομέα της κβαντικής ηλεκτρονικής.
Η κβαντική θεωρία είναι αποδεκτή από τους επιστήμονες ως η βασική θεωρία της φυσικής που ενοποιεί όλες τις φυσικές συσκευές. Ως εκ τούτου, οποιαδήποτε ηλεκτρονική συσκευή μπορεί να θεωρηθεί ως κβαντική ηλεκτρονική συσκευή. Οι περισσότεροι επιστήμονες, ωστόσο, κατανοούν ότι οι κβαντικές ηλεκτρονικές συσκευές είναι μόνο εκείνες οι συσκευές που διεγείρουν τις μεταβάσεις μεταξύ των επιπέδων κβαντικής ενέργειας. Τα λέιζερ και τα μέιζερ είναι οι κύριες συσκευές που χρησιμοποιούνται στην κβαντική ηλεκτρονική, καθώς καθένα από αυτά εστιάζει την ενέργεια σε μια σφιχτή, εστιασμένη δέσμη. Τα τρανζίστορ και οι υπεραγωγοί μπορεί να χρησιμοποιούν τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, αλλά συνήθως δεν θεωρούνται κβαντικές ηλεκτρονικές συσκευές.
Στην κβαντική ηλεκτρονική, οι μεταβάσεις μεταξύ των επιπέδων κβαντικής ενέργειας έχουν ιδιαίτερη σημασία. Τα άτομα, τα μόρια και άλλα κβαντικά συστήματα περιέχουν διεγερμένα σωματίδια. Αυτά τα συστήματα μπορούν να περιέχουν μόνο ορισμένες, αυστηρά καθορισμένες, ποσότητες ενέργειας. Όταν ένα σύστημα εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με τη μορφή φωτός ή ραδιοκυμάτων, μετακινείται από ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα χαμηλότερο. Τα λέιζερ και τα μέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διεγείρουν αυτά τα άτομα ή μόρια σε υψηλότερες καταστάσεις ενέργειας.
Τα λέιζερ είναι μια από τις κύριες συσκευές που χρησιμοποιούνται στην κβαντική ηλεκτρονική. Αυτά τα μηχανήματα ακτινοβολούν κύματα φωτός σε μια εστιασμένη δέσμη μέσα σε ένα στενό εύρος ακτινοβολίας. Αυτό κάνει το φως που εκπέμπει ένα λέιζερ μονόχρωμο, ενώ οι περισσότερες πηγές φωτός εκπέμπουν πολλαπλά χρώματα φωτός, ακόμα κι αν το φως φαίνεται στο μάτι να περιέχει μόνο ένα χρώμα.
Τα λέιζερ είναι σημαντικά τόσο στην έρευνα όσο και στην επίλυση πρακτικών προβλημάτων. Το φως από ένα λέιζερ δεν διαχέει θερμότητα και στερείται ηλεκτρικού φορτίου. Ένα λέιζερ μπορεί να λειτουργήσει μέσα σε διαβρωτικά αέρια και σε κενό. Είναι χρήσιμα στη μέτρηση της απόστασης με μεγάλη ακρίβεια, στις οπτικές επικοινωνίες και στη θερμοπυρηνική σύντηξη.
Ένα άλλο εργαλείο που χρησιμοποιείται συνήθως στην κβαντική ηλεκτρονική είναι ο μέιζερ. Αυτές οι συσκευές εκπέμπουν ακτινοβολία μικροκυμάτων σε εστιασμένη δέσμη. Η συχνότητα αυτών των μικροκυμάτων είναι σταθερή και δεν αλλοιώνεται τόσο εύκολα όσο τα τυπικά μικροκύματα. Η εφαρμογή αυτού του μηχανήματος επιτρέπει στους πύργους επικοινωνίας που εκπέμπουν ηχητικά κύματα στην περιοχή ακτινοβολίας μικροκυμάτων να στέλνουν πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις με μικρή παραμόρφωση.