量子信息科学（QIS）基于奇特的量子现象，如叠加、纠缠、压缩等，以精典理论未能实现的方法来获取和处理信息，技术应用包括量子传感器与计量、量子通讯、量子模拟及量子估算等方面，它将在传感器与检测、通信、仿真、高性能估算等领域拥有宽广的应用前景，并有望在数学、化学、生物与材料科学等基础科学领域带来突破，未来可能颠覆包括人工智能领域在内的诸多科学领域。
量子传感器与计量：用途多多
QIS在传感器与计量领域有多种用途。
借助纠缠现象量子物理应用到哪些领域，可将不同的量子系统彼此相连，对一个系统的检测会影响另一个系统的结果——即使这种系统在数学上是分开的。两个量子系统处于略有不同的环境中，可通过彼此干涉提供有关环境的信息量子物理应用到哪些领域，从理论上讲，这些原子干涉仪提供的感知性能要比传统技术高出几个数目级。原子干涉仪除用于惯导外，还可加装为重力仪，以及用于月球系统检测、矿物质精确定位等。量子授时装置，如法国国家标准技术研究院（NIST）研发的量子逻辑钟，是目前世界上精度最高的授时装置之一。光子源及单光子侦测技术可提升光敏侦测器的校正精度，用于微量元素的侦测。
量子加密通讯：安全性更高
传统加密技术使用秘钥：发送方使用一个秘钥对信息进行编码，接收方使用另一个秘钥对信息进行解码，但这样的秘钥有可能被泄漏，因而不可防止地受到监听。不过，信息可以通过量子秘钥分布（QKD）进行加密。在QKD中，关于秘钥的信息通过随机偏振光的光子发送，这限制了光子，使其仅在一个平面中震动。若果此时监听者检测信息，量子状态才会崩塌！只有拥有准确量子秘钥的人，才才能揭秘信息。
量子通讯还可能应用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴别等等。未来，量子网路将联接分布式量子传感，用于全球的水灾检测。而在5年—10年内，有望开发出可靠的光子源及相关技术，实现远距离量子信息传输，并促使量子处理器之间数据共享合同的相关理论研究。
量子模拟：建模材料最可能
量子模拟器使用易操控的量子系统，来研究其他无法直接研究的量子系统属性。对物理反应和材料进行建模是量子模拟最有可能的一个应用。研究者可以在计算机中研究数百万欧元的候选材料，而无需再耗费数年、投入数亿港元，却只能制造和定性少量材料。不管目标是更强的客机用高分子材料、更有效的车用触媒转化器、更好的太阳能电板材料和医学品，还是更透气的纤维等，开发环节推动将会带来巨大价值。
基于不同技术的量子模拟器原型已在实验室环境得到了验证。
量子估算：未来研究显神通
量子估算是通过叠加原理和量子纠缠等次原子粒子的特点来实现对数据的编码和操纵。在过去的几六年里，量子估算只存在于理论上，但近年的研究早已开始出现有意义的结果，开发并验证了多种量子算法，研发出了量子计算机实验截击机，未来的5年—15年里，我们很有可能制造出一款有实用意义的量子计算机。
量子计算机的出现将给气候模拟、药物研究、材料科学等其他科研领域带来巨大的进步。不过，最令人期盼的还是量子密码学。一台量子计算机将可以破解目前所有的加密方法，而量子加密也将真正无懈可击。