La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques nées au xxe siècle qui décrivent le comportement des atomes et des particules et permettent d'élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. Comme la théorie de la relativité, les théories dites « quantiques » marquent une rupture avec ce que l'on appelle maintenant la physique classique, qui regroupe les théories et principes physiques connus au xixe siècle  notamment la mécanique newtonienne et la théorie électromagnétique de Maxwell , et qui ne permettait pas d'expliquer certaines propriétés physiques. La physique quantique recouvre l'ensemble des domaines de la physique où l'utilisation des lois de la mécanique quantique est une nécessité pour comprendre les phénomènes en jeu. La mécanique quantique est la théorie fondamentale des particules de matière constituant les objets de l'univers et des champs de force animant ces objets.
Les ordinateurs classiques ou conventionnels sont programmés avec des bits comme unités de données. Chaque bit peut stocker un 0 ou un 1. Pourtant, ces ordinateurs sont mis face à leurs propres limites lorsqu’ils se retrouvent confrontés à un problème de variables multiples. Dans ce cas, les ordinateurs doivent effectuer un nouveau calcul chaque fois qu'une variable est modifiée. Chaque calcul est un chemin unique vers un résultat unique. L’ordinateur quantique, lui, se base sur les concepts expliqués ci-dessus. En raison des lois de la mécanique quantique, celui-ci utilise des qubits, qui peuvent représenter une combinaison de 0 et de 1 en même temps, selon le principe de superposition. Chaque qubit existe ainsi en multiple états de 0 et 1, simultanément. L’ordinateur quantique va ainsi exploiter l'intrication entre les qubits et les probabilités associées aux superpositions pour effectuer une série d'opérations, de telle sorte que certaines probabilités soient augmentées (c'est-à -dire celles des bonnes réponses) et d'autres diminuées, voire nulles.
Mais avant de pouvoir profiter du potentiel de l’ordinateur quantique, de nombreux verrous doivent encore être levés afin que celui-ci puisse déjà voir le jour. La décohérence en est l’obstacle majeur : l’ordinateur quantique, pour calculer de manière bien plus rapide et efficace qu’un ordinateur classique, va utiliser la superposition et l'intrication d'états qui sont beaucoup plus sensibles à l'environnement que les états classiques. Plus on va ajouter de qubits à un système, plus la quantité d’opérations parallèles va être augmentée et, par conséquence, la puissance de calcul aussi. On estime ainsi que près de 300 qubits parfaitement enchevêtrés en superposition pourraient cartographier toutes les informations de l'univers à partir du Big Bang. Pourtant, lorsque l'environnement interagit avec les qubits (ce qui est nécessaire pour que la mesure quantique fonctionne), celui-ci va changer de manière incontrôlable leurs états quantiques. C’est ce qu’on appelle la décohérence. Celle-ci peut provenir de nombreux aspects de l'environnement : modifications des champs magnétiques et électriques, rayonnement d'objets chauds à proximité ou interactions non contrôlées entre les qubits. La décohérence affecte l'état de superposition et perturbe le traitement quantique de l'information. Cela conduit à des erreurs dans les systèmes de calcul quantique. Alors qu’un ordinateur classique se révèle très fiable, un ordinateur quantique ferait une erreur sur 1 000 opérations (pour les meilleurs d’entre eux).
Il existe en effet une limite à la durée pendant laquelle les qubits peuvent conserver leurs propriétés quantiques avant que des erreurs ne viennent perturber le mécanisme de calcul. C'est ce qu'on appelle la longueur de cohérence. Pour réduire le risque d’erreurs dans les calculs réalisés par un ordinateur quantique, il faudrait ainsi avoir des qubits avec une longueur de cohérence suffisamment longue pour calculer des problèmes mathématiques. Et pour augmenter cette longueur de cohérence, des chercheurs travaillent aujourd’hui au développement d’algorithmes de réduction d'erreurs en utilisant un code correcteur d’erreurs quantiques (le premier ayant été développé par Peter Shor). Cela leur permet notamment d’encoder un qubit logique dans plusieurs qubits physiques, de sorte que les erreurs deviennent tractables. On doit pouvoir également effectuer des portes logiques, afin d’améliorer la performance des opérations. Quoi qu’il en soit, il faudrait des centaines de millions de qubits connectés de manière cohérente pour avoir un ordinateur quantique universel. Les quelques machines quantiques qui existent aujourd’hui ne peuvent, pour le moment, pas supporter de gérer autant de qubits qu’il serait nécessaire pour passer à l’échelle.