Физики телепортировали изображение сразу по 100 квантовым каналам

Группа физиков из Восточно-китайского педагогического университета в Шанхае реализовала квантовую телепортацию одновременно по ста каналам. Проверкой послужила передача стопиксельного изображения буквы Q.

Термин здесь вводит в заблуждение сильнее, чем помогает. Квантовая телепортация не перемещает вещество, а переносит квантовое состояние одной системы на другую, используя заранее разделённую запутанность и обычный классический канал связи.

Сама идея была предложена в 1993 году, а первые эксперименты последовали спустя несколько лет. С тех пор состояния телепортировали с помощью фотонов, атомов и твердотельных кубитов, на дистанциях более ста километров и даже с земли на спутник.

Физики предсказали новую форму квантовой материи – каплю из бозонов и фермионов

Расстояние, однако, лишь одна из осей масштабирования. Полноценной квантовой сети понадобится параллельно обрабатывать множество состояний, а большинство экспериментов до сих пор ограничивалось одним каналом или небольшим их числом.

Сложность роста упирается в несколько узких мест:

• каждому дополнительному каналу нужен собственный запутанный ресурс, точно подогнанный под передаваемую информацию

• классические схемы требуют отдельного детектирования для каждого канала

• к этому добавляется отдельная электронная обработка сигнала

• и отдельная модуляция, из-за чего установка усложняется с каждым новым каналом

Обходные пути через мультиплексирование нескольких каналов в одном луче тоже создают проблему, так как схемы декодирования затрудняют независимое управление каждым каналом.

Шанхайская группа зашла с другой стороны. С помощью пространственного модулятора света на луч наносится программируемая компьютерная голограмма, которая разбивает его поперечный профиль на сетку 10 на 10 из отдельных пространственных мод.

Каждая из ста мод управляется независимо, что и даёт сотню самостоятельных каналов телепортации. Под них была создана такая же решётка запутанного света, а обработка всех каналов идёт полностью оптическим способом, без отдельной электронной обратной связи для каждого.

Само изображение в эксперименте тоже требует пояснения. Никакая картинка никуда не исчезает и не появляется, а передаётся квантовое состояние светового поля в каждой пространственной моде, описываемое амплитудной и фазовой квадратурами.

Цзетай Цзин, руководитель работы: В нашем эксперименте изображение закодировано в массив пространственных оптических мод размером 10 на 10. Каждую моду можно рассматривать как один пиксель. Картина интенсивности, образованная всеми этими модами вместе, представляла букву Q.

Главным доказательством успеха служит не сама буква, а показатель точности воспроизведения состояния, который измеряется величиной от нуля до единицы. Средняя точность составила 0,60 при классическом пределе в 0,52, то есть при уровне, достижимом без использования запутанности.

Классический предел был превзойдён во всех ста модах без исключения. Это означает, что квантовая природа передачи сохранилась по всей решётке, а не только в её центре.

Практический смысл результата в пропускной способности. Архитектура позволяет наращивать число каналов без отдельной системы телепортации под каждый из них, что для будущих квантовых сетей важнее, чем очередной рекорд дальности.

Размер решётки упирается в мощность накачки. Доступный лазер выдавал около одного ватта, и именно это ограничило эксперимент сотней мод, а более мощные источники позволят добавить их значительно больше.