Квантовые вычислительные системы, которые создаются в настоящее время в исследовательских целях и которые являются предшественниками будущих универсальных квантовых компьютеров, строятся практически по единой схеме. В их основе лежат квантовые биты, кубиты, созданные на базе ионов, атомов или элементов электронных сверхпроводящих схем. Эти кубиты помещаются в состояние квантовой суперпозиции и взаимодействуют друг с другом посредством явления квантовой запутанности. А управление состоянием кубитов, считывание из них информации и их запутывание производится при помощи электрических сигналов, микроволновых лучей, фотонов света и другими способами, согласно заложенной в компьютер программе.

Совершенно иной принцип построения квантового компьютера предложили ученые-физики из Института теоретической атомной, молекулярной и оптической физики (Institute for Theoretical Atomic, Molecular and Optical Physics, ITAMP) Центра астрофизики Гарварда-Смитсона (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, CfA). Основой такого квантового компьютера будет являться единственный атом, а в качестве носителей информации и квантовых битов будут выступать фотоны света.

Но, для того, чтобы такой квантовый компьютер смог работать потребуется, чтобы фотоны света начали взаимодействовать друг с другом, чего очень сложно добиться в обычных условиях. Ученые предлагают построить всю работу квантового компьютера на взаимодействии фотонов с их же зеркальными отражениями. Фотоны, излученные «центральным» атомом, отражаются от специального зеркала и становятся способными снова взаимодействовать с атомом с очень малой временной задержкой.

Величина этой задержки является следствием объединения волновых функций исходного и отраженного фотонов. Этот процесс настолько сложен математически, что подробно описывать его не имеет ни малейшего смысла. Но ученые утверждают, что за счет такого взаимодействия фотонов и объединения их волновых функций можно реализовать квантовые вычисления любого уровня сложности. И результаты этих вычислений получить достаточно легко, просто измеряя параметры излучаемых атомом фотонов света.

Данные теоретические исследования представляют собой не просто очередной прорыв в области квантовой оптики и информатики, они открывают совершенно новую область, в которой скрывается целый ряд новых технологий. Такая квантовая система на базе одного атома может быть создана достаточно просто, для этого у людей уже имеются все необходимые материалы и технологии. Это, в свою очередь, позволяет надеяться на скорое появление столь необычных квантовых вычислительных систем, новых сверхвысокоточных датчиков и многого другого.