量子并行性是量子计算的一个关键特性，它允许量子计算机同时评估多个计算路径。这是可能的，因为量子比特（qubit）可以存在于叠加态中，即 0 和 1 状态的组合。当对一个叠加态应用量子操作时，它会同时影响该叠加态中的所有可能状态。例如，应用于 |0⟩ 和 |1⟩ 叠加态中量子比特的单量子比特门将并行转换这两种状态。将此扩展到 n 个量子比特会创建 2ⁿ 个状态的叠加，从而为某些计算实现指数级的并行性。这与经典计算形成对比，在经典计算中，评估 2ⁿ 个输入需要 2ⁿ 个顺序操作。
一个具体的例子是 Deutsch-Jozsa 算法，该算法确定一个函数是常数（对所有输入都产生相同的输出）还是平衡的（一半的输入输出 0，另一半输出 1）。 在经典情况下，这需要对 n 个输入最多进行 2ⁿ⁻¹ +1 次评估。在量子设置中，该算法将 n 个量子比特初始化为所有可能输入的叠加，将函数应用为量子门，并在一个步骤中处理所有输入。结果通过测量量子比特中的干涉模式获得，从而将叠加坍缩为揭示函数性质的状态。这证明了量子并行性如何将指数问题减少到单个查询。
然而，仅靠量子并行性不足以实现实际的加速。虽然所有结果都是同时计算的，但访问它们需要巧妙的技术，如幅度放大或干涉，来提取有用的信息。例如，Shor 算法使用并行性一次性计算许多值的模指数，然后应用量子傅里叶变换来突出显示周期性模式。退相干和噪声等实际挑战限制了当前的实现，但核心原则仍然存在：并行性使量子算法能够绕过特定问题的经典瓶颈，前提是解决方案可以有效地从量子态中提取出来。