Bugün kullandığımız bilgisayarlar, ne kadar güçlü olurlarsa olsunlar, temelde aynı ilkeyle çalışır. Bilgi, her biri sıfır ya da bir değerini alabilen bitlerle işlenir. Kuantum bilgisayarlar ise bilgiyi tamamen farklı bir biçimde işleyen ve atom altı parçacıkların dünyasını yöneten kuantum fiziğinin tuhaf ilkelerinden yararlanan makinelerdir.

Kuantum bilgisayarların temel birimi, "kübit" adı verilen kuantum bitidir. Klasik bir bit, her an ya sıfır ya da birdir. Kübit ise "süperpozisyon" adı verilen bir kuantum özelliği sayesinde, ölçülene kadar sıfır ile birin belirli bir birleşimi olan bir durumda bulunabilir. Bu durum, sıklıkla kübitin "aynı anda hem sıfır hem bir" olması olarak anlatılır. Ancak bu benzetme, durumu biraz basitleştirir. Kübit ölçüldüğünde, belirli olasılıklarla ya sıfır ya da bir sonucu verir.

Kuantum bilgisayarların bir başka önemli kaynağı, "dolanıklık" adı verilen olgudur. Dolanık durumdaki kübitler, aralarındaki mesafe ne olursa olsun, birbirleriyle klasik fizikle açıklanamayan bir biçimde ilişkilidir. Bir kübitin ölçüm sonucu, diğerinin ölçüm sonucuyla bağlantılıdır. Einstein, bu olguyu bir zamanlar "uzaktan ürkütücü etki" olarak nitelendirmişti.

Kuantum bilgisayarların neden güçlü olabileceğine ilişkin yaygın bir açıklama, bu makinelerin bütün olası çözümleri aynı anda deneyebileceğidir. Ancak uzmanlar, bu açıklamanın yanıltıcı olduğunu vurgular. Kuantum bilgisayarlar, her sorunu klasik bilgisayarlardan daha hızlı çözmez. Onların gücü, belirli türdeki sorunlarda, "girişim" adı verilen kuantum olgusunu ustaca kullanarak yanlış yanıtların olasılıklarını birbirini sönümleyecek, doğru yanıtın olasılığını ise güçlendirecek biçimde düzenlenen özel algoritmalardan gelir. Bu tür algoritmaların bilinen sayısı ise oldukça sınırlıdır.

Kuantum bilgisayarların büyük avantaj sağlayabileceği alanlardan biri, molekül ve malzemelerin simülasyonudur. Moleküllerin davranışı kuantum fiziğiyle yönetildiği için, onları kuantum bir makineyle modellemek daha doğal ve verimli olabilir. Bu durum, yeni ilaçların ve malzemelerin geliştirilmesinde önemli ilerlemeler sağlayabilir. Bir başka önemli alan ise şifrelemedir. 1994'te matematikçi Peter Shor, yeterince büyük bir kuantum bilgisayarın, büyük sayıları asal çarpanlarına çok hızlı ayırabileceğini gösteren bir algoritma geliştirdi. Bu durum, bugün internet güvenliğinde yaygın olarak kullanılan bazı şifreleme yöntemlerinin gelecekte tehlikeye girebileceği anlamına gelir.

Ancak kuantum bilgisayarlar, henüz bu vaatleri tam olarak yerine getirebilecek düzeyde değildir. En büyük sorun, kübitlerin son derece kırılgan olmasıdır. Çevreden gelen en küçük titreşim, ısı ya da elektromanyetik etki, kübitlerin kuantum durumlarını bozabilir. Bu nedenle pek çok kuantum bilgisayar, mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklarda çalıştırılmak zorundadır. Hesaplamalar sırasında oluşan hataları düzeltmek de büyük bir mühendislik sorunudur. Uzmanlar, hata düzeltmeli ve büyük ölçekli kuantum bilgisayarların geliştirilmesinin daha uzun yıllar sürebileceğini tahmin etmektedir.

Kuantum bilgisayarlar konusundaki haberler, bazen abartılı bir dille sunulmaktadır. Bu teknoloji, gelecekte bazı alanlarda devrim yaratma potansiyeline sahip olsa da klasik bilgisayarların yerini alması beklenmemektedir. Büyük olasılıkla kuantum bilgisayarlar, belirli özel görevler için klasik bilgisayarlarla birlikte çalışan güçlü yardımcı araçlar olacaktır.