Ученые телепортировали изображение одновременно по 100 квантовым каналам

Фото из открытых источников

Квантовая телепортация готова изменить мир. Это звучит как научная фантастика — что квантовое состояние одной системы может быть передано, или «телепортировано», в другую систему, находящуюся на большом расстоянии, со скоростью, близкой к скорости света. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Это реально, и это доказано — в относительно небольших масштабах. Но если квантовые компьютеры когда-либо захотят обмениваться данными в больших сетях, им понадобится способ передавать большой объем квантовой информации одновременно, а это значит, что необходимо масштабировать систему.

Новый прорыв представляет собой следующий шаг на пути к созданию квантовой пропускной способности: группа физиков во главе с Цзетаем Цзином из Восточно-китайского педагогического университета достигла квантовой телепортации по 100 одновременным каналам, продемонстрировав это на примере успешной телепортации квантовой информации, закодированной в изображении размером 100 пикселей.

«Насколько нам известно, это действительно самое большое количество независимо адресуемых каналов квантовой телепортации, когда-либо продемонстрированных одновременно», — сказал Цзин. «В принципе, эта архитектура может обеспечить гибкий высокоскоростной интерфейс для будущих квантовых коммуникационных сетей».

Квантовая телепортация была впервые предложена в 1993 году и экспериментально продемонстрирована всего несколько лет спустя.

Несмотря на название, квантовая телепортация не предполагает исчезновения материи из одного места и её появления в другом. Вместо этого, квантовая телепортация переносит квантовое состояние одной системы в другую, используя общее запутанное состояние и классическую связь.

С тех самых пор ученые смогли телепортировать квантовые состояния, используя фотоны, атомы и твердотельные кубиты, на расстояния более 100 километров – даже с Земли на спутник. Но расстояние — это лишь один из способов масштабирования квантовой телепортации. Другой способ — увеличение пропускной способности.

Большинство экспериментов по квантовой телепортации проводились с использованием одного канала или относительно небольшого числа мультиплексированных каналов. Однако крупномасштабная квантовая сеть должна была бы одновременно обрабатывать множество квантовых состояний.

Это непросто сделать, потому что для каждого дополнительного канала необходим соответствующий запутанный ресурс, точно соответствующий передаваемой квантовой информации.

Традиционные подходы также могут требовать отдельного детектирования, электронной обработки и модуляции для каждого канала. Чем больше каналов добавляется, тем сложнее становится устройство.

Цзин и его коллеги подошли к решению проблемы, расположив 100 пространственно разделенных мод света в сетке 10 на 10. Каждой модой можно было управлять независимо, что фактически дало исследователям 100 отдельных каналов квантовой телепортации.

Затем они создали согласованную сетку из запутанного света и разработали полностью оптическую систему, которая могла обрабатывать все 100 каналов параллельно, вместо того чтобы требовать отдельной электронной обратной связи для каждого из них.

«Преодолев эти две проблемы, мы реализовали квантовую телепортацию 100 пространственных мод с точностью, превосходящей соответствующие классические пределы», — сказал Цзин.

Следующим шагом стало тестирование системы, и именно здесь вступает в игру «изображение» — хотя его не следует понимать как картинку, исчезающую из одного места и появляющуюся в другом, пояснил Цзин.

«В нашем эксперименте изображение кодируется в массив пространственных оптических мод размером 10 × 10. Каждую моду можно рассматривать как один пиксель», — сказал он. «Точнее говоря, информация, передаваемая посредством квантовой телепортации, представляет собой непрерывно-переменное квантовое состояние оптического поля в каждом пространственном режиме, характеризующееся квадратурами амплитуды и фазы. Совокупная интенсивность излучения, образованная всеми этими модами, представляла собой букву „Q“».

Другими словами, каждый из 100 режимов света действовал подобно пикселю, неся часть информации, необходимой для создания Q-кода. Команда параллельно телепортировала квантовое состояние, закодированное в каждом режиме, и восстанавливала полученный рисунок на принимающей стороне.

Однако воспроизведение Q-символа было не единственным признаком того, что произошла квантовая телепортация.

Исследователи также измерили, насколько точно квантовые состояния на принимающей стороне соответствуют состояниям на входе. Это измеряется с помощью величины, известной как точность, которая варьируется от 0 до 1, причем более высокие значения указывают на более точное соответствие.

По всему изображению исследователи достигли средней точности 0,60. Это может показаться не особенно впечатляющим, пока вы не сравните это с соответствующим классическим пределом — средней точностью 0,52, достижимой без помощи квантовой запутанности.

Исследователи показали, что точность квантовой телепортации превысила классический предел во всех 100 пространственных режимах. Это открытие позволяет предположить, что квантовая телепортация не обязательно станет значительно более громоздкой по мере добавления новых каналов.

«Вместо того чтобы внедрять отдельную систему телепортации для каждого канала, наша архитектура обеспечивает параллельную работу по всему массиву пространственных оптических мод», — сказал Цзин. «По мере роста пропускной способности и сложности квантовых сетей это различие может приобретать все большее значение».

В конечном итоге, такой подход может дать квантовым сетям то, в чем они остро нуждаются: пропускную способность, позволяющую передавать различную квантовую информацию по нескольким каналам параллельно.

Однако на данный момент у системы есть потенциал для дальнейшего развития. Исследователи говорят, что размер их массива размером 10 на 10 был в основном ограничен примерно одним ваттом мощности лазера, доступного для накачки эксперимента. Более мощные лазеры позволили бы добавить гораздо больше пространственных мод, а следовательно, и больше каналов телепортации.

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