Учёные-физики впервые осуществили квантовую телепортацию, используя сразу сто независимых оптических каналов. Для демонстрации возможности параллельной передачи сложной структуры квантовой информации, исследователи зашифровали её в изображение, состоящее из ста элементов, и успешно восстановили этот рисунок после процесса телепортации. Данная методика способна повысить производительность будущих квантовых коммуникационных сетей.

Исследование было проведено группой специалистов под руководством Цзетая Цзина (Jietai Jing) из Восточно-Китайского педагогического университета. Для реализации эксперимента была создана структура, состоящая из ста пространственных световых мод, выстроенных в сетку 10 на 10. Каждая мода представляла собой отдельный канал, который можно было использовать для телепортации квантового состояния независимо от остальных.

Важно отметить, что квантовая телепортация не предполагает физического перемещения материи или мгновенной транспортировки объекта из одного места в другое. В ходе этого процесса передаётся квантовое состояние с использованием предварительно подготовленной квантовой запутанности и дополнительного канала связи. При этом исходное квантовое состояние не дублируется, а воссоздается в другой части системы.

Одной из основных сложностей при развитии данной технологии является увеличение количества используемых каналов. В большинстве экспериментов квантовая телепортация осуществляется для одного или небольшого числа состояний, однако перспективные квантовые сети потребуют одновременной обработки значительно больших объёмов квантовой информации.

В ходе исследования авторы применили метод программируемого голографического формирования света для организации массива, включающего сто пространственно разделённых мод. Для каждой из этих мод был создан свой квантовый канал. Такая конструкция обеспечивала возможность независимого управления каждым элементом массива, исключая объединение всей информации в единый сложный для разделения сигнал.

Ключевой особенностью разработанной установки стало использование полностью оптической схемы для передачи данных между этапами протокола. Вместо применения отдельных электронных систем обработки и коррекции для каждого канала, исследователи реализовали параллельную обработку сразу всего массива. Такой подход позволил избежать существенного усложнения оборудования при увеличении числа каналов.

Для проверки работоспособности системы была использована визуализация буквы Q. Изображение было разбито на сетку размером 10 × 10, где каждая пространственная мода света соответствовала отдельному элементу рисунка. При этом телепортации подвергались не сами пиксели цифрового изображения, а квантовые состояния оптического поля в каждой из ста мод – в первую очередь информация об амплитуде и фазе этого поля.

Параллельно осуществлялась передача всех ста состояний. По завершении протокола на принимающей стороне исследователи смогли воссоздать пространственное распределение светового потока, что позволило сформировать изображение буквы Q.

Для подтверждения факта квантовой телепортации недостаточно простого визуального восстановления рисунка. Поэтому физики провели измерения точности воспроизведения квантовых состояний — показателя, отражающего степень соответствия состояния на выходе исходному.

Точность передачи изображения в среднем составила приблизительно 0,60 при максимально достижимом значении в 1. Для аналогичной схемы, не использующей квантовую запутанность, теоретический предел классической точности оценивался примерно в 0,52. В ходе эксперимента наблюдалось превышение соответствующих классических пределов во всех ста пространственных модах.

Подобное расхождение указывает на то, что восстановление изображения не может быть объяснено исключительно стандартной классической передачей данных. При этом значение 0,60 свидетельствует о том, что экспериментальная система ещё не достигла совершенства в квантовой телепортации и нуждается в дальнейшем улучшении точности передачи.

Основная значимость работы заключается не в воспроизведении изображения буквы Q, а в демонстрации возможности параллельной квантовой телепортации большого количества независимо управляемых состояний. В традиционных сетях увеличение скорости передачи данных достигается за счёт одновременной передачи информации по нескольким каналам. Авторы исследования продемонстрировали аналогичный подход для квантовой информации, используя пространственную структуру света.

Текущая конфигурация представляет собой скорее лабораторное исследование, нежели полноценный канал квантовой связи на значительные расстояния. В рамках эксперимента использовался массив из ста модовых каналов, однако для дальнейшего расширения потребуется применение более мощных источников света, усиление квантовых сигналов и поддержание высокого качества запутанности при работе с большим числом каналов.

В случае успешного увеличения числа параллельных каналов без существенной потери точности, подобные системы могут предоставить один из методов для повышения пропускной способности квантовых сетей. Это станет необходимым условием для объединения квантовых компьютеров, организации распределённых квантовых вычислений и других систем, нуждающихся в одновременной передаче большого количества квантовых состояний.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.