Sustentada en la naturaleza dual partícula/onda de la materia, la mecánica cuántica describe cómo en cualquier sistema físico existe una multiplicidad de estados resultantes de incertidumbre en la especificación completa de magnitudes observables. Los estados, habiendo sido descritos mediante ecuaciones diferenciales, son denominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del espectro atómico discreto y revelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son descritos; fenómenos como la difracción de electrones, que no puede explicar debidamente la física clásica o más propiamente la mecánica clásica. La mecánica cuántica propiamente dicha no incorpora a la relatividad en su formulación matemática. La parte de la mecánica cuántica que incorpora elementos relativistas de manera formal para abordar diversos problemas se conoce como mecánica cuántica relativista o ya, en forma más correcta y acabada, teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar) y más generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción elemental que no se ha podido cuantizar hasta el momento ha sido la interacción gravitatoria. Este problema constituye entonces uno de los mayores desafíos de la física del siglo XXI. La mecánica cuántica proporciona el fundamento de la fenomenología del átomo, de su núcleo y de las partículas elementales (lo cual requiere necesariamente el enfoque relativista). También su impacto en teoría de la información, criptografía y química ha sido decisivo.

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(For a more accessible and less technical introduction to this topic, see Introduction to quantum mechanics.) Quantum mechanics (QM; also known as quantum physics or quantum theory), including quantum field theory, is a fundamental branch of physics concerned with processes involving, for example, atoms and photons. Systems such as these which obey quantum mechanics can be in a quantum superposition of different states, unlike in classical physics. Quantum mechanics gradually arose from Max Planck's solution in 1900 to the black-body radiation problem (reported 1859) and Albert Einstein's 1905 paper which offered a quantum-based theory to explain the photoelectric effect (reported 1887). Early quantum theory was profoundly reconceived in the mid-1920s. The reconceived theory is formulated in various specially developed mathematical formalisms. In one of them, a mathematical function, the wave function, provides information about the probability amplitude of position, momentum, and other physical properties of a particle. Important applications of quantum theory include superconducting magnets, light-emitting diodes, and the laser, the transistor and semiconductors such as the microprocessor, medical and research imaging such as magnetic resonance imaging and electron microscopy, and explanations for many biological and physical phenomena.

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