Физики впервые продемонстрировали квантовую телепортацию сразу по 100 независимо управляемым оптическим каналам. Чтобы показать, что система способна параллельно передавать сложную структуру квантовой информации, исследователи закодировали её в виде изображения из 100 элементов и восстановили рисунок после телепортации. Такой подход может увеличить пропускную способность будущих квантовых сетей.
Эксперимент провела группа под руководством Цзетая Цзина (Jietai Jing) из Восточно-Китайского педагогического университета. Исследователи создали массив из 100 пространственных мод света, расположенных в виде сетки 10 × 10. Каждая мода представляла собой отдельный независимо управляемый канал, по которому можно было телепортировать квантовое состояние.
Квантовая телепортация не означает физического переноса вещества или мгновенного перемещения объекта из одной точки в другую. При таком процессе передаётся квантовое состояние системы с использованием заранее распределённой квантовой запутанности и дополнительного канала связи. Исходное квантовое состояние при этом не копируется, а воспроизводится в другой части системы.
Одна из основных проблем при масштабировании такой технологии заключается в количестве каналов. Во многих экспериментах квантовая телепортация выполняется для одного состояния или небольшого числа состояний, тогда как будущим квантовым сетям потребуется одновременно обрабатывать значительно большие объёмы квантовой информации.
Авторы работы использовали программируемое голографическое формирование света для создания массива из 100 пространственно разделённых мод. Для каждой из них был сформирован соответствующий квантовый канал. Система могла независимо управлять отдельными элементами массива, не объединяя всю информацию в один трудноразделимый сигнал.
Ещё одной особенностью установки стала полностью оптическая схема передачи результатов между этапами протокола. Вместо отдельной электронной системы обработки и коррекции для каждого канала исследователи реализовали параллельную обработку сразу всего массива. Это позволило избежать резкого усложнения оборудования при увеличении количества каналов.
Работу системы проверили с помощью изображения буквы Q. Изображение разбили на сетку 10 × 10, где каждая пространственная мода света соответствовала одному элементу рисунка. Однако телепортировались не сами пиксели цифровой картинки, а квантовые состояния оптического поля в каждой из 100 мод — прежде всего информация об амплитуде и фазе поля.
Все 100 состояний передавались параллельно. После завершения протокола на принимающей стороне исследователи восстановили пространственное распределение света, из которого вновь сформировалось изображение буквы Q.
Одного визуального восстановления рисунка недостаточно для подтверждения квантовой телепортации. Поэтому физики измерили точность воспроизведения квантовых состояний — величину, показывающую, насколько состояние на выходе соответствует исходному.
Средняя точность для переданного изображения составила около 0,60 при максимально возможном значении 1. Для соответствующей схемы без использования квантовой запутанности расчётный классический предел составлял около 0,52. В эксперименте результаты превысили соответствующие классические пределы во всех 100 пространственных модах.
Именно это различие показывает, что восстановление изображения нельзя объяснить только обычной классической передачей информации. При этом результат 0,60 также показывает, что экспериментальная система ещё далека от идеальной передачи квантовых состояний и требует дальнейшего повышения точности.
Главное значение работы связано не с самой буквой Q, а с возможностью параллельной квантовой телепортации большого числа независимо управляемых состояний. В обычной сети увеличение пропускной способности достигается одновременной передачей данных по множеству каналов. Авторы продемонстрировали похожий принцип для квантовой информации, использовав пространственную структуру света.
Существующая установка остаётся лабораторным экспериментом и пока не является готовым каналом квантовой связи большой дальности. Размер массива в работе составлял 100 мод, а дальнейшее масштабирование потребует более мощных источников света, усиления квантовых сигналов и сохранения достаточного качества запутанности для большого числа каналов.
Если число параллельных каналов удастся увеличить без сильного падения точности, подобные системы могут стать одним из способов повышения пропускной способности квантовых сетей. Это потребуется для соединения квантовых компьютеров, распределённых квантовых вычислений и других систем, которым необходимо передавать сразу множество квантовых состояний.
Исследование в журнале Physical Review Letters.