Un qubit est un bit quantique, l'équivalent dans l'informatique quantique du chiffre binaire ou bit de l'informatique classique. De même qu'un bit est l'unité de base de l'information dans un ordinateur classique, un qubit est l'unité de base de l'information dans un ordinateur quantique.
Un ordinateur quantique peut utiliser divers éléments tels que des photons et des électrons. Dans la pratique, cependant, il est également possible de réussir avec des ions. Leur charge ou leur polarisation agit comme une indication de 0 ou de 1. Ces particules sont connues collectivement sous le nom de qubits. La théorie quantique qui décrit le comportement et la nature de chacune d'entre elles constitue le fondement de l'informatique quantique. Les deux aspects les plus pertinents de la physique quantique sont les principes de superposition et d'intrication. Imaginez un qubit comme un électron dans un champ magnétique. Le spin de l'électron peut être soit aligné avec le champ, ce qui est connu comme un état de spin-up, soit opposé au champ, ce qui est connu comme un état de spin-down. Une impulsion d'énergie est utilisée pour changer le spin de l'électron, comme un laser. Supposons qu'une unité d'énergie laser soit nécessaire. Et si l'énergie laser utilisée pour faire passer le spin d'un électron d'un état à un autre était égale à la moitié de ce qu'il faut ? Cela permettrait d'éliminer complètement les influences extérieures et d'isoler la particule. Selon la loi quantique, la particule entre alors dans une superposition d'états, dans laquelle elle se comporte comme si elle était dans les deux états simultanément. Chaque qubit peut être utilisé pour prendre la superposition de 1 et de 0. Ainsi, le nombre de calculs qu'un ordinateur quantique pourrait effectuer est de 2^n, où n est le nombre de qubits utilisés. Avec 500 qubits, un ordinateur quantique pourrait effectuer 2500 calculs par étape. C'est un nombre énorme. 2500 signifie infiniment plus d'atomes qu'il y a dans l'univers. (Il s'agit de traitement parallèle, les ordinateurs classiques, et même ceux que l'on appelle aujourd'hui des processeurs parallèles ne font qu'une seule chose : deux à cinq d'entre eux la font. Mais comment ces particules vont-elles interagir les unes avec les autres ? L'intrication quantique leur permettrait d'interagir les unes avec les autres. Les particules qui ont interagi à un moment donné conservent un type de connexion et peuvent être intriquées les unes avec les autres par paires, dans un processus connu sous le nom de corrélation. La direction du spin d'une particule intriquée, qu'elle soit ascendante ou descendante, peut être utilisée pour déterminer si son spin est opposé. Il est encore plus étonnant de savoir qu'en raison du phénomène de superposition, la particule mesurée n'a pas une seule direction de spin avant d'être mesurée, mais se trouve simultanément dans un état de spin haut et bas. L'état de spin de la particule mesurée est décidé au moment de la mesure et communiqué à la particule corrélée, qui prend simultanément la direction de spin opposée à celle de la particule mesurée. Il s'agit d'un phénomène réel, qu'Einstein a appelé "spooky behavior at a distance", et dont le mécanisme ne peut être expliqué. L'intrication quantique permet à des qubits séparés par des distances incroyables d'interagir entre eux de manière instantanée (sans être limités à la vitesse de la lumière). Quelle que soit l'importance de la distance entre les particules corrélées, elles resteront intriquées tant qu'elles seront isolées. Ensemble, la superposition et l'intrication quantiques permettent une augmentation incroyable de la puissance de calcul. Alors qu'un registre de 2 bits dans un ordinateur ordinaire ne peut stocker qu'une seule des quatre configurations binaires (00, 01, 10 ou 11) à un moment donné, un registre de 2 qubits dans un ordinateur quantique peut stocker les quatre nombres simultanément, car chaque qubit représente deux valeurs. L'augmentation de la capacité augmente de façon exponentielle lorsqu'on peut ajouter d'autres qubits.