当你进入原子和亚原子粒子的世界，事物开始以意想不到的方式表现。事实上，这些粒子可以同时以多种状态存在。量子计算机正是利用了这种能力。
图灵机是艾伦·图灵在20世纪30年代开发的一种理论设备，它由无限长的磁带组成，这些磁带被分割成小正方形。每个方块可以保存一个符号(1或0)，也可以留空。读-写装置读取这些符号和空格，然后给机器执行某个程序的指令。这听起来熟悉吗?在量子图灵机中，不同之处在于磁带以量子状态存在，读写头也是。这意味着纸带上的符号可以是0或1，也可以是0和1的叠加;换句话说，符号同时是0和1(以及介于两者之间的所有点)。普通的图灵机一次只能执行一个计算，而量子图灵机可以同时执行多个计算。
今天的计算机，就像图灵机一样，通过操作存在于两种状态之一的比特来工作:0或1。量子计算机并不局限于两种状态;它们将信息编码为量子位元，量子位元可以以叠加的形式存在。量子位代表原子、离子、光子或电子，以及它们各自的控制设备，它们共同起着计算机存储器和处理器的作用。因为量子计算机可以同时包含这些多种状态，它有可能比当今最强大的超级计算机强大数百万倍。
这种量子位元的叠加赋予了量子计算机固有的并行性。据物理学家大卫·多伊奇(David Deutsch)称，这种并行性允许量子计算机同时进行100万次计算，而你的台式电脑只进行一次计算。一台30量子位的量子计算机的处理能力相当于一台可以每秒10万亿次浮点运算(每秒上万亿次浮点运算)的传统计算机。今天，典型的桌面计算机以十亿次浮点运算(每秒数十亿次浮点运算)的速度运行。
量子计算机还利用了量子力学的另一个方面，即量子纠缠。量子计算机思想的一个问题是，如果你试图观察亚原子粒子，你可以撞击它们，从而改变它们的值。如果你通过叠加来判断一个量子位的值，这个量子位的值要么是0要么是1，而不是两者都是(这实际上把你漂亮的量子计算机变成了普通的数字计算机)。为了制造实用的量子计算机，科学家们必须设计出间接测量的方法，以保持系统的完整性。纠缠提供了一个可能的答案。在量子物理学中，如果你对两个原子施加外力，就会使它们纠缠在一起，第二个原子就会具有第一个原子的性质。所以如果不受干扰，原子会向四面八方旋转。一旦被扰乱，它就会选择一个旋转或一个值;同时，第二个纠缠原子会选择一个相反的自旋或值。这使得科学家无需实际观察就能知道量子位元的价值。
与传统计算机使用的比特(1和0或者是和否)不同，量子计算机使用的是量子比特——也就是所谓的量子位。为了说明这两者的区别，想象一个球体。比特可以存在于球体的两个极点中的任何一个，而量子位可以存在于球体上的任何一点。所以，这意味着一台使用量子位元的计算机可以存储大量的信息，而且比传统计算机使用更少的能量。通过进入这个传统物理定律不再适用的量子计算领域，我们将能够创造出比我们今天使用的处理器快得多的处理器(一百万倍或更多倍)。听起来不可思议，但挑战在于量子计算也非常复杂。
由于我们使用传统方法已经达到了能源效率的极限，计算机行业面临着寻找提高计算效率的方法的压力。根据半导体工业协会的一份报告，到2040年，我们将不再有能力为世界上所有的机器提供动力。这就是为什么计算机行业正在竞相制造商用规模的量子计算机。这是不小的成就，但会带来非凡的回报。