Operaatioita kutsutaan kvanttiporteiksi; ne muokkaavat qubiteja tilan superpositioissa ja niiden välisissä tiloissa. Algoritmit on suunniteltu hyödyntämään kvanttitilan ainutlaatuisia ominaisuuksia. Esimerkkejä teoreettisista ja käytännön sovelluksista ovat Shorin algoritmi, joka voi purkaa suuria salausavaimia, sekä Groverin algoritmi, joka nopeuttaa epäjärjestettyjen hakujen suorittamista. On kuitenkin tärkeää huomata, että tulokset ovat todennäköisyyksiä, ei varmoja lopputuloksia ilman virheenkorjausta.
Toteutusmenetelmät vaihtelevat. Yleisimpiä ovat superjohtuvat qubitit ja vangitut ionit, joilla on eri fyysiset perustutkimukset ja vaatimukset. Ne toimivat yleensä alhaisissa lämpötiloissa ja tiukassa ympäristövaatimuksessa, kuten matalien lämpötilojen kriotilanteissa ja tarkassa sähkömagneettisessa hallinnassa. Nykyiset laitteet ovat kohtuullisen suuria ja virheherkkiä, ja niiden skaalaaminen lisää monimutkaisuutta.
Sovellukset kattavat muun muassa kryptografia, kvanttisähkökemialliset simuloinnit, materiaali- ja lääkekehitys sekä optimointi- ja logistiikkaongelmat. Eräät tehtävät voivat hyötyä kvanttisista nopeuksista huomattavasti, mutta suurin osa käytännön sovelluksista on vielä tutkimusvaiheessa. Nykyinen tila, nimeltään kohinan aiheuttama keskikokoinen kvanttilaitteisto (NISQ), viittaa siihen, että laitteet ovat hyödyttöjä suurille, täysin luotettaville ratkaisuille ilman kehittyneitä virheenkorjausmenetelmiä.
Kvanttitietokoneiden kehitys on sekä teoreettisesti että teknisesti nopeaa. Edistys nojaa sekä laitteiston että ohjelmiston parantamiseen, mukaan lukien virheenkorjaus, skaalautuvuus ja ohjelmointiympäristöt. Seuraavat askeleet sisältävät suurempien qubittilukumien hallinnan, pidemmän koherenssiajan sekä kyvyn tehdä monimutkaisia kvanttilaskentoja luotettavasti. Lopullinen vaikutus riippuu sekä teknisestä että matemaattisesta edistysaskeleesta.