Si nous plaçons maintenant un capteur dans l'axe de transmission et un autre dans l'axe de réflexion, alors seulement un s'illuminera. Il n'existe qu'une seule particule et elle ne peut donc être captée qu'à un seul endroit. Toutefois, plutôt que de placer les détecteurs dans ces deux axes, nous pouvons réunir ces deux axes au niveau d'un deuxième séparateur de faisceau, disposant les deux capteurs dans les axes ascendant et latéral droit de ce second séparateur de faisceau. Une conséquence de la théorie quantique, démontrée à plusieurs reprises en laboratoire, est que :

1. Si nous veillons à ce que les deux axes entre les deux séparateurs de faisceau soient de longueur identique, alors la particule sera toujours captée dans l'axe latéral droit du deuxième séparateur de faisceau.
2. Si un axe est plus long que l'autre par une certaine valeur (égale à la moitié de la longueur d'onde associée à la particule), alors la particule sera toujours captée par l'axe ascendant du second séparateur de faisceau.

Imaginez maintenant tenter d'expliquer ce comportement comme si la particule se déplaçait uniquement sur un des deux axes, mais sans que nous sachions lequel. Imaginez qu'en réalité, la particule se déplaçait sur l'axe inférieur alors que rien ne se déplaçait sur l'axe supérieur. Lorsque la particule atteint le second séparateur de faisceau, elle doit choisir de se déplacer vers le haut ou vers la droite. Cette particule a uniquement traversé l'axe inférieur alors que rien n'a traversé l'axe supérieur, et donc, la particule ne sait pas si les deux axes sont de longueur égale, dans lequel cas elle devrait se déplacer vers la droite, ou si leur longueur diffère par la moitié d'une longueur d'onde, dans lequel cas elle devrait se déplacer vers le haut, et alors, il est impossible que la particule se comporte de la manière que nous observons réellement dans des expériences. Le même dilemme existerait si la particule empruntait l'axe supérieur entre les séparateurs de faisceau. Cela signifie que nous devons revoir notre façon de penser. Nous ne pouvons pas penser en termes d'un de deux axes libres. Il existe une notion en vertu de laquelle la particule occupe deux endroits simultanément.

Ce dispositif, nommé interféromètre de particules, illustre la principale propriété qui distingue la théorie quantique des théories classiques. Nous disposons de deux possibilités — « la particule circule sur l'axe A » et « la particule circule sur l'axe B ». Dans le cas d'une théorie classique, une seule de ces affirmations pourrait être vraie à tout moment donné, alors que dans la théorie quantique, les deux affirmations peuvent être partiellement vraies au même moment. Il s'agit là du principe de superposition. L'état de réalité est atteint par la superposition de deux états qui, selon notre conception classique, sont mutuellement exclusifs. Afin d'obtenir une représentation mathématique, nous additionnons les deux affirmations mutuellement exclusives :

(En réalité, le formalisme est un peu plus complexe que cela, car nous multiplions chaque affirmation par un nombre représentant « dans quelle mesure » l'atome occupe l'une ou l'autre des cases.) Le principe de superposition se prête à diverses situations. Par exemple, il est possible qu'un atome occupe deux cases simultanément, un photon ici et, en même temps, là-bas, une particule tournant à la fois dans le sens horaire et dans le sens antihoraire. Nous sommes forcés de penser ainsi, car tous les objets quantiques sont sujets à des expériences d'interférence telles que celle que nous venons de décrire.

Son probabilisme inhérent est une autre caractéristique de la théorie quantique. Avant de contrôler la présence de l'atome dans une case ou l'autre, il est impossible de savoir quelle case il occupe. Cette réalité pose problème pour tous les gens qui croient que tout effet doit découler entièrement d'une cause quelconque. En réalité, on peut tenter d'éliminer cet indéterminisme inhérent en supposant que la théorie quantique est une théorie statistique dérivable d'une théorie plus profondément déterministe selon laquelle la situation est exprimée par une description plus complète du monde que celle fournie par l'état quantique. De telles théories sont souvent nommées « théories à variable cachée ». Dans l'exemple précédent, ces variables cachées déterminent exactement la case dans laquelle nous retrouverons l'atome. Ces variables sont « cachées » parce que nous n'en connaissons pas les valeurs avant d'effectuer une mesure.

Un important problème de la théorie quantique découle du fait que nous ne savons pas quand cesser d'utiliser le principe de superposition. Imaginez que, plutôt qu'un atome, la case A ou la case B contient une molécule. Quoique plus volumineuse qu'un atome, celle-ci demeure tout de même très petite et donc, certainement quantique. Qu'en est-il d'un objet un peu plus grand, tel qu'une cellule? Et si on prenait un objet très grand, tel qu'une balle de baseball, un chat et, pourquoi pas, une galaxie entière? En principe, rien ne nous indique à quel moment le principe de superposition ne s'applique pas. Ainsi, en principe, nous pourrions réellement imaginer l'exemple d'un chat dont les états vivant et mort seraient en superposition. En pratique, il serait très difficile de réellement constater l'interférence quantique pour de gros objets tels que des balles de baseball ou des chats (quoique nous ayons déjà observé de l'interférence avec de grandes molécules) et nous pouvons donc, tout compte fait, ignorer la possibilité qu'une superposition existe. Toutefois, si la question « en principe » nous intéresse, cette possibilité ne peut être ignorée. Le problème qui en découle est que nous devons expliquer pourquoi nous n'observons aucune superposition de deux grands objets présents simultanément à deux endroits — notre expérience quotidienne se compose d'un univers macroscopique avec des objets clairement localisés. Il existe diverses approches pour résoudre ce problème. L'une d'elles veut que, pour des systèmes suffisamment importants, l'état se « replie » sur l'une ou l'autre des deux possibilités. Ainsi, il passe de l'état superposé « A » + « B » à un des états « A » ou « B ». De telles théories de la théorie quantique se nomment « théories de repli ».

Une des caractéristiques de la théorie quantique est l'intrication quantique. Celle-ci se produit suivant l'interaction de deux systèmes physiques. Suivant une telle interaction, le système entier devient descriptible seulement à titre d'entité unique. Il est impossible de le décrire par la description intégrale de ses composants. Des points de vue interprétatif, mathématique et des applications, l'intrication est un sujet fascinant. L'effet le plus frappant découlant de l'intrication quantique est la non-localité quantique — découverte en 1964 par John S. Bell. Le théorème de Bell représente un des plus importants résultats de la physique et a grandement contribué à instiguer de nombreux travaux récents en matière de théorie quantique. Imaginez que deux systèmes quantiques interagissent et se séparent ensuite à une grande distance où les mesures sont effectuées. Ces mesures révéleront certaines corrélations entre les deux systèmes. À cette étape, puisque les systèmes ont interagi antérieurement, cela correspond à nos prévisions. Toutefois, Bell a démontré que nous ne pouvons pas expliquer ces corrélations purement en fonction de l'interaction antérieure entre les deux systèmes. Il semble que, même si les deux systèmes sont séparés par une grande distance, ils continuent de « discuter » ensemble. Toutefois, cet effet n'est pas assez puissant pour servir à la transmission de signaux, et par conséquent, le principe voulant que l'information ne puisse pas se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière demeure actuellement valable.