Квантовый телепорт стал многоканальным: учёные передали изображение сразу по 100 квантовым каналам
Квантовая телепортация перестаёт быть лабораторной демонстрацией с одним-единственным каналом. Китайские исследователи продемонстрировали систему, способную одновременно передавать квантовую информацию по 100 независимо управляемым пространственным каналам. Для наглядности учёные телепортировали оптическое изображение размером 100 пикселей.
Слово «телепортация» неизбежно вызывает в памяти фантастику: исчезновение объекта в одном месте и его мгновенное появление в другом. Но реальная квантовая телепортация устроена иначе — и от этого она ничуть не менее удивительна.
Материя никуда не перемещается. Переносится квантовая информация, причём с использованием одного из самых загадочных явлений квантовой физики — запутанности.
Теперь исследователи сделали следующий шаг: вместо передачи информации через небольшое число каналов они научились работать сразу со ста каналами, причём каждый из них можно программировать и контролировать отдельно.
Не телепортация предмета, а телепортация информации
Представим двух участников эксперимента — условных Алису и Боба. У них есть частицы, находящиеся в общем запутанном квантовом состоянии. Измерение одной части системы связано с состоянием другой, даже если частицы находятся далеко друг от друга.
Именно эта запутанность является ключевым ресурсом квантовой телепортации.
Когда Алиса выполняет определённое квантовое измерение, информация о состоянии, которое необходимо передать Бобу, может быть восстановлена на его стороне с помощью заранее распределённой запутанности и дополнительной классической информации.
При этом нельзя сказать, что объект буквально «пролетел» из одной точки в другую. Исходное квантовое состояние разрушается в процессе измерения, а его состояние воссоздаётся на стороне получателя.
И вот здесь возникает проблема, особенно важная для будущих квантовых технологий.
Что, если нам нужно передавать не один квантовый сигнал, а сразу очень много?
Сто каналов вместо одного
Именно эту задачу попыталась решить команда китайских исследователей.
Учёные создали программируемую матрицу размером 10×10, содержащую 100 пространственных оптических мод. Каждая такая мода фактически выступала в роли отдельного квантового канала.
Представить это можно как своеобразную «квантовую матрицу»: вместо одной дороги, по которой движется информация, появляется целая сетка из ста независимых маршрутов.
Причём исследователи могли управлять этими каналами отдельно друг от друга.
Это особенно важно. Простое увеличение количества световых мод ещё не означает, что система способна полноценно ими управлять. Необходимо одновременно подготовить нужные состояния, провести измерения и корректно обработать полученную информацию.
Для формирования такой структуры исследователи использовали голографическое управление светом, позволившее создавать и перестраивать множество пространственных мод.
Самое интересное — всё происходит параллельно
Главное достижение эксперимента заключается не только в числе каналов.
Сто каналов работали параллельно.
Исследователи применили полностью оптическую схему прямой обратной связи — feedforward. Она позволила обрабатывать результаты измерений таким образом, чтобы квантовая информация могла быть восстановлена сразу в соответствующих каналах, а не последовательно один за другим.
Иными словами, система получила возможность работать не по принципу:
канал №1 → канал №2 → канал №3 → …
а скорее как единая многоканальная система:
100 каналов → одновременно.
Для квантовых сетей это принципиально важная идея. Если количество доступных каналов удастся значительно увеличить, потенциальная пропускная способность подобных систем тоже сможет расти.
Учёные решили «нарисовать» квантовую телепортацию
Чтобы продемонстрировать возможности своей системы, исследователи выбрали наглядный эксперимент.
Они закодировали изображение в виде 100 оптических мод, сформировав своеобразную картинку из 100 пикселей.
После проведения процедуры телепортации изображение было восстановлено на стороне получателя.
Это не означает, что в лаборатории появилась телепортированная фотография в научно-фантастическом смысле. Телепортировалось квантовое состояние оптических мод, в котором была закодирована информация об изображении.
Но результат оказался достаточно наглядным: полученная структура сохраняла исходный рисунок.
Как понять, что это действительно квантовая телепортация?
Здесь начинается самое интересное.
В квантовой физике недостаточно просто получить похожее изображение на выходе системы. Необходимо показать, что результат нельзя объяснить обычным классическим копированием или передачей информации.
Для этого исследователи измеряли верность (fidelity) восстановленных состояний и сравнивали её с соответствующими классическими пределами.
Полученные значения превышали эти пределы, что свидетельствует о том, что при передаче использовались именно квантовые ресурсы, а не просто классическая оптическая схема копирования изображения.
Таким образом, эксперимент стал демонстрацией не только большого количества каналов, но и их работы в режиме квантовой телепортации.
Почему это может оказаться важным?
Современные квантовые компьютеры и квантовые коммуникационные системы сталкиваются с одной и той же проблемой: как передавать всё больше квантовой информации между различными узлами?
Один канал подходит для демонстрации принципа. Но реальные квантовые сети должны оперировать гораздо большими объёмами информации.
Многоканальная телепортация потенциально может стать одним из элементов такой инфраструктуры.
В будущем подобные технологии могут быть интересны для:
- квантовых коммуникационных сетей;
- соединения удалённых квантовых процессоров;
- распределённых квантовых вычислений;
- передачи многомерных квантовых состояний;
- масштабирования фотонных квантовых систем.
Особенно интересна последняя возможность. Пространственная структура света позволяет кодировать информацию сразу во множестве мод. Если научиться эффективно управлять сотнями, тысячами и большим числом таких каналов, фотонные системы смогут значительно расширить объём информации, обрабатываемой параллельно.
До телепортации человека ещё бесконечно далеко
Несмотря на эффектное название, эксперимент не приближает нас к телепортации людей, животных или предметов в стиле научной фантастики.
Квантовая телепортация работает с состояниями квантовых систем. Она не переносит массу и не создаёт копию исходного объекта в другом месте.
Более того, квантовая телепортация не позволяет просто отправить информацию быстрее света. Для завершения протокола необходима передача классической информации, а она подчиняется обычным ограничениям физики.
Но это нисколько не уменьшает значение эксперимента.
Пожалуй, наиболее интересная сторона работы заключается в другом: учёные постепенно переходят от демонстрации квантовой телепортации как красивого фундаментального эффекта к созданию масштабируемых многоканальных систем.
Следующий шаг — ещё больше каналов
Эксперимент со 100 пространственными модами показывает, что квантовую телепортацию можно организовать не только как последовательную передачу отдельных состояний, но и как параллельный процесс.
И это открывает весьма необычную перспективу.
Сегодня речь идёт о 10×10, то есть о ста каналах. Но сама идея не ограничивается этой цифрой. Исследователи уже рассматривают возможности дальнейшего увеличения числа каналов и усложнения подобных оптических систем.
Возможно, именно здесь начинается один из переходов, необходимых для создания будущих квантовых сетей: от единичных экспериментов — к системам, способным одновременно работать с огромным количеством независимых квантовых информационных потоков.
Квантовая телепортация, таким образом, становится всё меньше похожей на одиночный «трюк» из лаборатории и всё больше — на потенциальную технологию передачи информации.
И если первые эксперименты демонстрировали, можно ли телепортировать квантовое состояние, то теперь всё чаще возникает другой вопрос:
сколько квантовой информации мы сможем телепортировать одновременно?
И ответ на него, судя по последним экспериментам, постепенно становится всё больше.
Алексей Хворостов
