Ученые впервые телепортировали изображение по 100 квантовым каналам

Команда физиков под руководством Цзетая Цзина из Восточно-Китайского педагогического университета осуществила квантовую телепортацию сразу по 100 независимым каналам одновременно. Для демонстрации метода учёные телепортировали квантовую информацию, закодированную в изображении из 100 пикселей. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

При чём тут телепортация

Звучит как фантастика — квантовое состояние одной системы можно передать, или «телепортировать», другой системе на большом расстоянии, причём почти со скоростью света. На самом деле это давно доказанный факт, правда пока в небольших масштабах. Идею предложили ещё в 1993 году, а первые эксперименты провели уже через несколько лет.

Вопреки названию, никакая материя никуда не исчезает и не появляется заново. Учёные передают квантовое состояние одной системы другой при помощи запутанных частиц и обычного классического канала связи. За прошедшие годы физики телепортировали состояния фотонов, атомов и твердотельных кубитов на расстояния свыше 100 километров, и даже с Земли на спутник.

Почему одного канала мало

Для будущих квантовых сетей важно не только расстояние, но и пропускная способность. Большинство прежних экспериментов ограничивались одним каналом или небольшим числом объединённых каналов. А для полноценной сети нужно одновременно обрабатывать множество квантовых состояний параллельно.

Сложность в том, что для каждого нового канала требуется отдельный запутанный ресурс, точно подобранный под передаваемую информацию. К тому же обычно для каждого канала нужны своя система детектирования и своя электроника — чем больше каналов, тем сложнее и громоздче установка.

Как построили систему

Учёные расположили 100 пространственно разделённых мод света в решётку 10 на 10, где каждая мода управлялась независимо от остальных. Так получилось 100 отдельных каналов для телепортации. К этой решётке подобрали такую же по структуре решётку запутанного света и построили полностью оптическую систему, обрабатывающую все каналы параллельно, без отдельной электронной обработки для каждого из них.

«Реализуя квантовую телепортацию 100 пространственных мод, мы преодолели классический предел для каждой из них», — рассказал Цзин.

Как передавали букву «Q»

Изображение вовсе не «исчезало» в одном месте и не «появлялось» в другом, уточнил учёный.

«В нашем эксперименте изображение закодировано в решётке 10 на 10 пространственных оптических мод. Каждую моду можно считать одним пикселем», — пояснил Цзин.

По сути передавалось непрерывное квантовое состояние светового поля в каждой моде, а все вместе эти моды складывались в узнаваемый узор — букву «Q». Качество совпадения переданного и принятого состояний измеряют показателем фиделити, от 0 до 1, где чем ближе к единице, тем точнее копия. Средняя фиделити по всему изображению составила 0,60. На первый взгляд немного, но классический предел без квантовой запутанности здесь равен всего 0,52. То есть по всем 100 каналам квантовый результат превысил классический предел.

Что дальше

«Вместо отдельной системы телепортации для каждого канала наша архитектура позволяет работать параллельно сразу со всей решёткой оптических мод», — отметил Цзин.

По его словам, с ростом масштаба и сложности квантовых сетей это преимущество будет становиться всё заметнее.

Пока систему ограничивает мощность лазера — около одного ватта. Более мощные лазеры позволят увеличить решётку и добавить новые каналы телепортации.

«Наши результаты задают отличный образец для создания масштабируемой и гибкой квантовой связи», — пишут авторы в статье.

Справка

Квантовая телепортация не переносит материю или энергию — передаётся только состояние системы, а для восстановления информации на приёмной стороне нужен обычный канал связи. Фиделити выше 0,52 в этом эксперименте означает, что результат нельзя объяснить классическими корреляциями: для этого и нужна запутанность. Ключевое достижение работы — не рекорд по расстоянию, а архитектура, позволяющая масштабировать число каналов без пропорционального усложнения установки. Именно параллельная обработка множества мод считается одним из условий для будущих квантовых сетей и распределённых вычислений.