رایانه‌هایی که از رایانش کوانتومی استفاده می‌کنند رایانه کوانتومی نامیده می‌شوند. این رایانه‌ها با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستورکار می‌کنند تفاوت عمده‌ای دارند. رایانه کوانتومی با بهره‌گیری از قوانین فیزیک کوانتوم عملیات پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها را انجام می‌دهد. مشابه با رایانش فعلی که در آن از اصطلاح بیت به‌عنوان یکای اندازه‌گیری داده استفاده می‌شود، در رایانش کوانتومی هم اصطلاحی با عنوان Qubit یا Quantum Bit وجود دارد. هر Qubit در واقع یک نقطه کوانتومی محسوب می‌شود. در بیانی ساده یک نقطه کوانتومی یک ذره مادی بسیار کوچک است که افزایش یا کاهش یک الکترون خواص آن را به نحو ارزشمندی تغییر می‌دهد.

در رایانه‌های کوانتومی مفاهیمی چون برهم نهی کوانتومی (Superposition of Quantum)، تونل زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) و درهم تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) اهمیت بسیاری دارند. برخلاف منطق دودویی که بنیان کامپیوترهای کنونی را تشکیل می‌دهد (یعنی هر بیت می‌تواند یا صفر یا یک باشد)، برهم نهی کوانتومی به این معنا است که یک کوبیت در آن واحد می‌تواند دو مقدار صفر یا یک را هم داشته باشد. برهم نهی کوانتومی موضوع بسیار جالب و در عین حال عجیبی است که از مکانیک کوانتوم الهام گرفته شده است. طبق این مفهوم، به نظر می‌رسد که ذرات در آن واحد در چند جای مختلف وجود دارند یکی از راه‌های ممکن برای اینکه درک کنیم یک کیوبیت چگونه می‌تواند در آن واحد در چند مکان مختلف وجود داشته باشد این است که تصور کنیم هر کیوبیت دارای دو یا بیش از دو بعد است که هر کدام از آنها می‌توانند پایین (منطق ۰) و بالا (منطق ۱) باشند.

از این‌رو یک کوبیت دو بعدی می‌تواند در آن واحد دارای چهار حالت مستقل (۱۱-۱۰-۰۱-۰۰) باشد و حال اگر کوبیت مثلأ دارای ۵بعد باشد ۳۲ حالت ممکن مستقل بین ۰۰۰۰۰ و ۱۱۱۱۱ وجود خواهد داشت. این وضعیت توان ذخیره‌سازی داده را به نحوی شگرف افزایش می‌دهد. انتقال اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی مستلزم تونل زنی کوانتومی است. در تعریف ساده‌ای از تونل‌زنی کوانتومی می‌توان گفت تونل‌زنی کوانتومی به انتقال اطلاعات از یک کوبیت به کوبیت دیگر(بدون اینکه این داده در حین انتقال درفضای قرار بگیرند) اشاره دارد. مفهوم تونل‌زنی کوانتومی معمولا با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ تبیین می‌شود و با استفاده از آن می‌توان خاصیت موج-ذره در جسم را تعریف کرد. درهم‌تنیدگی کوانتومی هم به این حقیقت اشاره دارد که دو کوبیت حتی اگر در جاهای مختلف باشند می‌توانند روی هم تاثیر بگذارند.

افزون بر این قابلیت‌های خاص، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند همه داده‌های گوناگون را هم در یک زمان پردازش کنند چون دیگر خبری از تنها دو حالت صفر و یک نیست. در واقع در رایانش کوانتومی به جای پردازش سریالی (Serial Processing) با پردازش موازی (Parallel Processing) روبه‌رو هستیم و در زمانی که کاربر دستوری برای مشخص شدن مقدار یک پارامتر صادر می‌کند تنها یکی از حالت‌های ممکن که احتمال بیشتری از سایرین دارد به نمایش در می‌آید. چنین کاری باعث می‌شود سرعت پردازش مسائل در رایانه‌های کوانتومی چند میلیون برابر رایانه‌های کلاسیک باشد. کیوبیت‌ها می‌توانند در اتم‌ها، یون‌ها یا حتی موجودیت‌های کوچک تری مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها ذخیره شوند و با قرار گرفتن در حالت‌های مشخص، داده‌ها را ذخیره‌سازی کنند.

با توجه به قابلیت‌های برجسته‌ای که دارند، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند کاربردهای وسیعی داشته باشند. اولین کاربرد این کامپیوترها می‌تواند به نقل قول معروفی از ریچارد فایمن مربوط باشد که می‌گفت «در کامپیوترهای سنتی به سختی می‌توان سیستم‌های کوانتومی را مدل‌سازی کرد». بنابراین، با داشتن یک کامپیوتر کوانتومی امکان مدل‌سازی سیستم‌های کوانتومی وجود دارد (چیزی که از آن به‌عنوان شبیه‌سازی کوانتومی یاد می‌شود). به‌عنوان نمونه ما می‌توانیم رفتار اتم‌ها و ذرات را در شرایط نامعقولی (مثل انرژی‌های بسیار بالا) مدل‌سازی کنیم بدون آنکه این شرایط نامعقول را ایجاد کنیم. همچنین ما می‌توانیم واکنش‌های شیمیایی را شبیه‌سازی کنیم؛ زیرا برهم‌کنش‌های بین اتمی در واکنش‌های شیمیایی اساسا یک فرآیند کوانتومی محسوب می‌شوند.

کاربرد دومی که می‌توان برای کامپیوترهای کوانتومی در نظر گرفت به توان این تکنولوژی در جست‌وجو و تحلیل حجم عظیمی از داده‌ها اشاره دارد. به مدد این کامپیوترها می‌توان حجم بسیار عظیمی از داده‌ها را تقریبا ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از کامپیوترهای معمولی انجام داد. کاربرد سوم این کامپیوترها به امکان اعمال شرایط خاص در جست‌وجو اشاره دارد. مثلا فرض کنید که شما یک میلیون شماره تلفن دارید و می‌‌خواهید شماره‌ تلفن‌هایی را که دو رقم اول و دورقم آخر آنها مشابه است را پیدا کنید. طبیعی است که کامپیوترهای سنتی طی یک میلیون‌ مساله را انجام می‌دهند حال آنکه کامپیوترهای کوانتومی در هزار گام جواب این مساله را استخراج می‌کنند. از دیگر کاربردهای عمده‌ کامپیوترهای کوانتومی می‌شود به رمزنگاری، تحلیل‌های آماری بسیار پیچیده، یافتن فاکتورهای اعداد بزرگ، تحلیل رفتار سیستم‌های وفقی پیچیده‌ بزرگ و حل مسائل بهینه‌سازی بسیار بزرگ اشاره کرد.

به هرحال مانند هر ایده‌ در دنیای علوم، در مسیر ایجاد رایانه‌های کوانتومی نیز چالش‌هایی وجود دارد. نخستین چالش مهم به نحوه کنترل و هدایت کیوبیت‌ها اشاره دارد. به این معنی که کیوبیت‌ها به‌گونه‌ای هدایت شوند که بتوان اطلاعات را به وسیله آنها منتقل کرد و سپس به پردازش آنها پرداخت. دومین چالش اساسی نیز به این حقیقت اشاره دارد که با توجه به طبیعت مکانیک کوانتومی، در صورتی که ذرات با جداره‌هایی که آنها را در بر می‌گیرند برخورد داشته باشند تمام اطلاعات ذخیره شده روی آنها از بین خواهد رفت، یعنی ناهمدوسی کوانتومی (Quantum Decoherence) رخ می‌دهد. مشخصا به همین دلیل است که دمای کاری مدل‌های آزمایشی ساخته شده نزدیک به صفر مطلق (منفی ۲۷۳ درجه سلسیوس) است، زیرا در چنین شرایطی است که می‌توان رفتارکوانتومی سیستم را حفظ و همدوسی کوانتومی را برقرار ساخت. به هرحال، به‌دلیل قابلیت‌های شگرفی که محاسبات کوانتومی دارد؛ پر واضح است که تجاری‌سازی کامپیوترهای کوانتومی تاثیر عظیمی بر صنعت و به‌طور کلی زندگی بشر خواهد نهاد. ولی با توجه به ماهیت محدودیت‌های ساخت این فناوری به نظر نمی‌رسد که این فناوری حداقل تا ۱۰ سال آینده وارد بازار شود.