量子物理学是在最基本的层面上针对物质和能量的研究，它的目标是揭示自然基本构件的属性和行为。虽然许多量子实验着眼于非常非常小的东西，比如电子和光子，但量子现象就发生在我们周围，在各个尺度上都发挥着作用。但我们不太容易在较大的物体上发现它们。这就会给人一种错误的印象，认为量子现象很离奇，或者是“另一个世界”的东西。
事实上，量子科学的出现填补了我们在物理领域的知识空白，让我们对生活的世界有了更全面的了解。量子物理学诞生于19世纪末和20世纪初，它源自对原子的一系列实验观测，在经典物理学的背景下，这些观测根本说不通。在这个领域最基本的发现是，物质和能量可以被看作离散的小包，或者叫量子（quanta）。例如，具有某种固定频率的光会以量子的形式传递能量，也就是光子。
在这个频率下的每个光子将具有一样的能量，而且这种能量无法继续被分解成更小的单位。到了20世纪，这些量子的知识逐渐改变了我们对微观世界的认识。上个世纪70年代，物理学家建立了有史以来最精确的理论——粒子物理学标准模型，解释了所有已知基本粒子（比如电子、光子等）的属性和行为，以及它们之间的相互作用。
量子物理学的许多概念对我们来说是难以想象的，比如我们无法同时精确地知道一个粒子的位置和速度，又比如两个纠缠的粒子无论相距多么遥远，一旦知道其中一方的信息我们就能立即获取另一方的信息。为了更好地理解这些有悖于直觉的概念，数学起到了至关重要的作用。方程被用来描述或帮助预测量子物体和现象，这比我们的想象力要精确得多。数学也是表示量子现象的概率性质必不可少的工具。
举个例子，早期的模型将电子描述为围绕原子核运行的粒子，就像卫星围绕地球运行那样。但现代量子物理学则认为，一个电子的位置可能并不确切。相反，它可能被描述为处于一系列可能的位置（比如在一个轨道内），每个位置都有一个在那里发现电子的概率。当电子获得或失去能量时，它们可以从一个轨道“跃迁”到另一个轨道上，但它们不会出现在轨道之间的位置。
在整个系统中，数学就描述反映了电子在任何特定时间在特定范围内存在于多个位置的概率。在量子物理学的实验中，观测（测量）行为始终是一个绕不开的话题。在这个领域发展之初，科学家困惑地发现，仅仅是观测本身就会影响实验的结果。例如，一个电子在未被观测时表现得像一个波，但观测行为就会使波坍缩（更准确的词是“退相关”），电子的行为就会变得像一个粒子。
这种结果的变化可能是由量子现象和外部环境（包括用于测量的设备）之间的相互作用引起的。一个粒子可以处于一系列可能的状态，然而当一个观测者进行测量时，波函数就会立即坍缩为一种可能的状态。
量子科学领域或许看起来很神秘，甚至有些不合逻辑，但它的确描述了我们周围的一切。量子物理学的力量带来了许多技术应用的革新。这些发现是创新的宝贵资源，催生了激光、晶体管等设备，甚至让曾被认为是纯粹推测的技术取得了实际的进展，比如量子计算机。目前，物理学家还在探索量子科学的潜力，从而改变我们对引力及其与空间和时间的联系的认识。