Tous les états possibles d'un qubit tiennent sur une sphère. Les pôles sont les états classiques 0 et 1 — tout l'équateur est superposition pure.
La sphère de Bloch, du nom du physicien Felix Bloch, est une représentation géométrique de tous les états possibles d'un qubit. Chaque état pur correspond à un point de la surface de la sphère. Le pôle nord représente l'état |0⟩, le pôle sud l'état |1⟩, et tous les points de l'équateur sont des superpositions à parts égales, qui ne diffèrent que par leur phase.
Un état s'écrit |ψ⟩ = cos(θ/2)|0⟩ + eiφ sin(θ/2)|1⟩. L'angle θ mesure l'éloignement depuis le pôle nord et fixe les probabilités : cos²(θ/2) d'obtenir 0 et sin²(θ/2) d'obtenir 1. L'angle φ, la phase, ne change pas ces probabilités, mais il joue un rôle décisif dans les interférences entre qubits.
Sur un ordinateur quantique, chaque porte logique à un qubit agit comme une rotation du vecteur d'état sur la sphère. La porte X (NON quantique) fait basculer |0⟩ vers |1⟩ par une rotation d'un demi-tour ; la porte de Hadamard envoie |0⟩ sur l'équateur pour créer une superposition. Programmer un algorithme revient à enchaîner ces rotations.