Физики 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 ученые телепортировали квантовую информацию, закодированную в изображении из 100 пикселей, результаты опубликованы в Physical Review Letters.
При чем тут телепортация
Звучит как фантастика — квантовое состояние одной системы можно передать, или «телепортировать», другой системе на большом расстоянии, причем почти со скоростью света. На самом деле это давно доказанный факт, правда пока в небольших масштабах. Идею предложили еще в 1993 году, а первые эксперименты провели уже через несколько лет.
Вопреки названию, никакая материя никуда не исчезает и не появляется заново. Ученые 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 один канал — это мало
Для будущих квантовых сетей важно не только расстояние, но и пропускная способность. Большинство прежних экспериментов ограничивались одним каналом или небольшим числом объединенных 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
Ученые расположили 100 пространственно разделенных мод света в решетку 10 на 10, где каждая мода управлялась независимо от остальных. Так получилось 100 отдельных каналов для телепортации. К этой решетке подобрали такую же по структуре решетку 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 фидельностью 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 ученый.
«В нашем эксперименте изображение закодировано в решетке 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 решеткой оптических мод», — отметил Цзин.
По его словам, с ростом масштаба и сложности квантовых сетей это преимущество будет становиться все заметнее.
Пока систему ограничивает мощность лазера — около одного ватта. Более мощные лазеры позволят увеличить решетку и добавить новые каналы телепортации.
«Наши результаты задают отличный образец для создания масштабируемой и гибкой квантовой связи», — пишут авторы в статье.
