Квантовая телепортация звучит так, будто речь идёт о фантастическом переносе объектов из одного места в другое. На самом деле материя никуда не исчезает и не появляется вновь. Переносится квантовое состояние системы — с помощью квантовой запутанности и обычного канала связи.
Сам принцип был предложен ещё в 1993 году, а спустя несколько лет его подтвердили экспериментально. С тех пор учёным удавалось телепортировать квантовые состояния фотонов, атомов и других квантовых систем на расстояния более 100 километров и даже с Земли на спутник.
Но расстояние — лишь половина проблемы. Если в будущем квантовые компьютеры действительно соединят в крупные сети, им потребуется передавать не одно состояние за раз, а огромные объёмы квантовой информации одновременно.
Именно здесь группа физиков под руководством Цзетая Цзина из Восточно-Китайского педагогического университета добилась важного результата: исследователи провели квантовую телепортацию сразу по 100 независимым каналам.
Для демонстрации они использовали своеобразное изображение размером 100 «пикселей».
Исследователи расположили 100 пространственно разделённых световых мод в виде сетки 10 на 10. Каждую из них можно было контролировать независимо, поэтому система фактически состояла из сотни отдельных каналов квантовой телепортации.
Затем физики создали соответствующую сетку запутанного света и разработали полностью оптическую систему, способную обрабатывать все 100 каналов параллельно. Это позволило избежать необходимости создавать отдельную электронную систему управления для каждого нового канала.
Именно масштабирование раньше представляло серьёзную проблему. Каждому дополнительному каналу требуется соответствующий ресурс квантовой запутанности, точно согласованный с передаваемой информацией. При традиционном подходе увеличение числа каналов быстро усложняет всю установку.
В новом эксперименте все сто каналов работали одновременно.
Чтобы наглядно показать результат, учёные закодировали информацию в виде буквы «Q». Однако это не означает, что изображение буквально исчезло в одном месте и появилось в другом.
Сетка 10 на 10 представляла собой 100 пространственных световых мод, каждая из которых играла примерно ту же роль, что отдельный пиксель изображения. В каждой моде была закодирована часть квантового состояния светового поля.
Все эти состояния телепортировались параллельно, после чего на принимающей стороне исследователи смогли восстановить исходный рисунок.
Но одной появившейся буквы было недостаточно, чтобы доказать квантовую природу процесса. Поэтому физики измерили, насколько точно состояния на выходе соответствовали исходным.
Для этого используется показатель точности от нуля до единицы: чем он выше, тем ближе полученное состояние к исходному. Средний результат эксперимента составил 0,60.
На первый взгляд цифра может показаться небольшой, однако принципиально важным было сравнение с пределом, достижимым без квантовой запутанности. В данном эксперименте такой классический предел составлял в среднем 0,52.
Квантовая телепортация превысила этот предел во всех 100 пространственных каналах.
По словам исследователей, это показывает, что увеличение количества каналов необязательно должно приводить к столь же стремительному усложнению всей системы. Вместо сотни отдельных установок их архитектура позволяет одновременно обрабатывать целый массив световых каналов.
И это может оказаться особенно важным для будущих квантовых сетей. Им потребуется не только передавать информацию на большие расстояния, но и обладать высокой пропускной способностью — то есть переносить множество разных квантовых состояний параллельно.
Сотня каналов, вероятно, ещё далеко не предел. Размер экспериментальной сетки 10 на 10 в основном ограничивался мощностью использовавшегося лазера — около одного ватта. По словам исследователей, более мощный источник способен поддерживать больше пространственных световых мод, а значит, и больше одновременных каналов телепортации.
Авторы считают, что их работа демонстрирует возможный путь к масштабируемым и гибким системам квантовой связи.
На этот раз физики телепортировали квантовую информацию, из которой складывалась буква «Q». Но куда важнее самой картинки то, что сотня независимых квантовых каналов смогла работать одновременно.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
