量子处理器单元 (QPU) 是量子计算机的核心组成部分，负责执行量子算法。与使用比特（0 或 1）的经典处理器不同，QPU 使用量子比特（或称为 qubit），它可以处于叠加态。这使得 QPU 能够同时处理多种可能性。此外，量子比特可以纠缠，这意味着即使物理上分离，它们的状态也是关联的。理论上，这些特性使得 QPU 能够比经典计算机更有效地解决特定类型的问题——例如优化、密码学或材料模拟。然而，QPU 不是通用处理器；它们擅长利用量子并行性和纠缠的任务。
QPU 使用量子电路运行，量子电路是将量子门（操作）应用于量子比特的序列。例如，Hadamard 门将量子比特置于叠加态，而 CNOT 门则纠缠两个量子比特。这些操作经过精心编排，以创建干涉模式，从而在测量时放大正确解并抑制错误解。目前的 QPU，例如 IBM（如 433 量子比特的 Osprey）或 Google 的 Sycamore，使用通过超导电路、囚禁离子或光子系统实现的物理量子比特。每种方法都有权衡：超导量子比特速度快但易出错，而囚禁离子具有更长的相干时间但操作速度较慢。开发者通过 Qiskit 或 Cirq 等量子编程框架与 QPU 交互，这些框架将高级代码编译成硬件可以执行的指令。
对于开发者来说，理解 QPU 需要认识到它们当前的局限性。目前大多数 QPU 的量子比特少于 1,000 个，且错误率较高，这需要错误校正技术以及结合经典和量子步骤的混合算法。例如，像 Shor 算法这样的量子算法需要数百万个稳定的量子比特才能实际使用——这远远超出了今天的能力。然而，可通过云访问的 QPU（通过 IBM Quantum、AWS Braket 等）允许开发者进行小规模问题实验，并在投资组合优化或分子建模等领域探索量子优势。虽然 QPU 不会很快取代经典处理器，但它们是解决经典系统无法处理的问题的专用工具，前提是开发者需要根据硬件限制调整算法。