Учёные телепортировали изображение сразу по ста квантовым каналам

Квантовая телепортация готова изменить мир. Это звучит как научная фантастика — что квантовое состояние одной системы может быть перенесено, или «телепортировано», в другую систему на огромном расстоянии со скоростью, близкой к скорости света. Это реально, и это было доказано — в относительно небольших масштабах. Но если квантовые компьютеры когда-либо будут общаться через большие сети, им понадобится способ отправлять много квантовой информации сразу — а значит, масштабировать процесс.

Новый прорыв представляет следующий шаг на пути к квантовой пропускной способности: команда физиков под руководством Цзе Тая Цзина из Восточно-Китайского педагогического университета достигла квантовой телепортации по ста одновременным каналам, продемонстрировав это успешной телепортацией квантовой информации, закодированной в изображении из ста пикселей.

«Насколько нам известно, это действительно наибольшее число независимо адресуемых каналов квантовой телепортации, когда-либо продемонстрированных одновременно, — сказал Цзин. — В принципе, эта архитектура могла бы обеспечить гибкий высокоёмкостный интерфейс для будущих квантовых коммуникационных сетей».

Квантовая телепортация была впервые предложена в 1993 году и экспериментально продемонстрирована всего несколько лет спустя. Несмотря на название, она не включает исчезновение материи из одного места и появление в другом. Вместо этого квантовая телепортация переносит квантовое состояние одной системы в другую, используя общее запутанное состояние и классическую связь.

С тех пор как были проведены первые эксперименты, учёные телепортировали квантовые состояния с помощью фотонов, атомов и твёрдотельных кубитов (квантовых битов — единиц квантовой информации, способных находиться в суперпозиции состояний), а также на расстояниях более ста километров — даже с земли на спутник. Но расстояние — лишь один из способов, которыми квантовой телепортации нужно масштабироваться. Ёмкость — другой.

Большинство экспериментов по квантовой телепортации задействуют один канал или относительно небольшое число мультиплексированных каналов. Крупномасштабная квантовая сеть, однако, должна была бы жонглировать множеством квантовых состояний параллельно. Это сложно сделать, потому что каждый дополнительный канал нуждается в соответствующем запутанном ресурсе, точно согласованном с квантовой информацией, которая телепортируется. Обычные подходы также могут требовать отдельного детектирования, электронной обработки и модуляции для каждого канала. Чем больше каналов вы добавляете, тем сложнее становится аппаратура.

Цзин и его коллеги подошли к проблеме, организовав сто пространственно разделённых мод света в сетку десять на десять. Каждой модой можно было управлять независимо, эффективно давая исследователям сто отдельных каналов квантовой телепортации. Затем они создали соответствующую сетку запутанного света и разработали полностью оптическую систему, которая могла обрабатывать все сто каналов параллельно, вместо того чтобы требовать отдельной электронной обратной связи для каждого.

«Преодолев эти две проблемы, мы реализуем квантовую телепортацию ста пространственных мод с точностью, превышающей их соответствующие классические пределы», — сказал Цзин.

Следующим шагом было испытание системы, и вот здесь появляется «изображение» — хотя его не следует понимать как картинку, исчезающую в одном месте и появляющуюся в другом, объяснил Цзин. «В нашем эксперименте изображение закодировано в массив десять на десять пространственных оптических мод. Каждую моду можно рассматривать как один пиксель, — сказал он. — Точнее, информация, передаваемая квантовой телепортацией, — это непрерывная квантовая переменная состояния оптического поля в каждой пространственной моде, характеризуемая её амплитудной и фазовой квадратурами (квадратуры — это пары наблюдаемых величин, описывающих состояние квантового поля, аналогично координате и импульсу в механике). Картина интенсивности, образованная всеми этими модами, коллективно представляла букву "Q"».

Иными словами, каждая из ста мод света действовала отчасти как пиксель, неся часть информации, необходимой для создания буквы Q. Команда телепортировала квантовое состояние, закодированное в каждой моде, параллельно и восстановила картину на принимающем конце.

Но воспроизведение буквы Q не было единственным признаком того, что квантовая телепортация состоялась. Исследователи также измерили, насколько близко квантовые состояния на принимающем конце соответствовали состояниям на входе. Это измеряется с помощью величины, известной как точность, которая варьируется от нуля до единицы, причём более высокие значения указывают на более близкое соответствие.

По всему изображению исследователи достигли средней точности 0,60. Это может звучать не особенно впечатляюще — пока вы не сравните это с соответствующим классическим пределом: средней точностью 0,52, возможной без помощи квантовой запутанности. Точность квантовой телепортации превысила классический предел по всем ста пространственным модам, показали исследователи. Это находка, позволяющая предположить, что квантовая телепортация не обязательно должна становиться значительно более громоздкой по мере добавления каналов.

«Вместо реализации отдельной системы телепортации для каждого канала наша архитектура обеспечивает параллельную работу по всему массиву пространственных оптических мод, — сказал Цзин. — По мере роста ёмкости и сложности квантовых сетей это различие может становиться всё более важным».

В конечном счёте, подход мог бы дать квантовым сетям нечто, в чём они остро нуждаются: пропускную способность, позволяющую различной квантовой информации путешествовать по множеству каналов параллельно.

Пока, однако, у системы есть пространство для роста. Исследователи говорят, что размер их массива десять на десять был ограничен в основном примерно одним ваттом лазерной мощности, доступной для накачки эксперимента. Более мощные лазеры могли бы позволить добавить гораздо больше пространственных мод — и, следовательно, больше каналов телепортации.

«Наши результаты устанавливают превосходную парадигму для достижения масштабируемой и гибкой квантовой связи», — пишут исследователи в своей работе.

Результаты опубликованы в журнале «Физикал Ревью Леттерс».