Superposición cuántica es la aplicación del principio de superposición a la mecánica cuántica. Ocurre cuando un objeto "posee simultáneamente" dos o más valores de una cantidad observable (e.g. la posición o la energía de una partícula).

Más específicamente, en mecánica cuántica, cualquier cantidad observable corresponde a un autovector de un operador lineal hermitiano. La combinación lineal de dos o más autovectores da lugar a la superposición cuántica de dos o más valores de la cantidad. Si se mide la cantidad, el postulado de proyección establece que el estado será colapsado aleatoriamente sobre uno de los valores de la superposición (con una probabilidad proporcional a la amplitud de ese autovector en la combinación lineal).

La pregunta en cuanto a porqué los objetos (macroscópicos, newtonianos) y los acontecimientos "reales" no parecen exhibir propiedades mecánico cuánticas tales como la superposición se presentó naturalmente. En 1935, Erwin Schrödinger ideó un experimento de pensamiento bien conocido, ahora llamado el gato de Schrödinger, que destacó la disonancia entre la mecánica cuántica y la física newtoniana.

De hecho, la superposición cuántica da lugar a muchos efectos directamente observables, tales como los picos de interferencia de una onda de electrón en el experimento de doble-rendija.

Si dos observables corresponden a los operadores que no conmutan, obedecen a un principio de incertidumbre y un estado definido de un observable corresponde a una superposición de muchos estados para el otro observable.