Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии Е0, Е1,…,Е. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии – фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять действием электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой. Первые квантовые компьютеры выглядят несколько громоздко.
Основным же строительным блоком квантового компьютера служит qubit – Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Это позволяет строить сложные устройства. Известны эксперименты по созданию RISC – процессора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров.