量子信息科學（QIS）基于奇特的量子現象，如疊加、糾纏、壓縮等，以精典理論未能實現的方法來獲取和處理信息，技術應用包括量子傳感器與計量、量子通訊、量子模擬及量子估算等方面，它將在傳感器與檢測、通信、仿真、高性能估算等領域擁有寬廣的應用前景，并有望在數學、化學、生物與材料科學等基礎科學領域帶來突破，未來可能顛覆包括人工智能領域在內的諸多科學領域。
量子傳感器與計量：用途多多
QIS在傳感器與計量領域有多種用途。
借助糾纏現象量子物理應用到哪些領域，可將不同的量子系統彼此相連，對一個系統的檢測會影響另一個系統的結果——即使這種系統在數學上是分開的。兩個量子系統處于略有不同的環境中，可通過彼此干涉提供有關環境的信息量子物理應用到哪些領域，從理論上講，這些原子干涉儀提供的感知性能要比傳統技術高出幾個數目級。原子干涉儀除用于慣導外，還可加裝為重力儀，以及用于月球系統檢測、礦物質精確定位等。量子授時裝置，如法國國家標準技術研究院（NIST）研發的量子邏輯鐘，是目前世界上精度最高的授時裝置之一。光子源及單光子偵測技術可提升光敏偵測器的校正精度，用于微量元素的偵測。
量子加密通訊：安全性更高
傳統加密技術使用秘鑰：發送方使用一個秘鑰對信息進行編碼，接收方使用另一個秘鑰對信息進行解碼，但這樣的秘鑰有可能被泄漏，因而不可防止地受到監聽。不過，信息可以通過量子秘鑰分布（QKD）進行加密。在QKD中，關于秘鑰的信息通過隨機偏振光的光子發送，這限制了光子，使其僅在一個平面中震動。若果此時監聽者檢測信息，量子狀態才會崩塌！只有擁有準確量子秘鑰的人，才才能揭秘信息。
量子通訊還可能應用于虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒別等等。未來，量子網路將聯接分布式量子傳感，用于全球的水災檢測。而在5年—10年內，有望開發出可靠的光子源及相關技術，實現遠距離量子信息傳輸，并促使量子處理器之間數據共享合同的相關理論研究。
量子模擬：建模材料最可能
量子模擬器使用易操控的量子系統，來研究其他無法直接研究的量子系統屬性。對物理反應和材料進行建模是量子模擬最有可能的一個應用。研究者可以在計算機中研究數百萬歐元的候選材料，而無需再耗費數年、投入數億港元，卻只能制造和定性少量材料。不管目標是更強的客機用高分子材料、更有效的車用觸媒轉化器、更好的太陽能電板材料和醫學品，還是更透氣的纖維等，開發環節推動將會帶來巨大價值。
基于不同技術的量子模擬器原型已在實驗室環境得到了驗證。
量子估算：未來研究顯神通
量子估算是通過疊加原理和量子糾纏等次原子粒子的特點來實現對數據的編碼和操縱。在過去的幾六年里，量子估算只存在于理論上，但近年的研究早已開始出現有意義的結果，開發并驗證了多種量子算法，研發出了量子計算機實驗截擊機，未來的5年—15年里，我們很有可能制造出一款有實用意義的量子計算機。
量子計算機的出現將給氣候模擬、藥物研究、材料科學等其他科研領域帶來巨大的進步。不過，最令人期盼的還是量子密碼學。一臺量子計算機將可以破解目前所有的加密方法，而量子加密也將真正無懈可擊。