Квантова телепортація обіцяє змінити світ. Це звучить як наукова фантастика – що квантовий стан однієї системи може бути переданий, або 'телепортований', до іншої системи на великій відстані майже зі швидкістю світла.

Це реальність, і це вже доведено – на відносно малих масштабах. Але якщо квантові комп'ютери коли-небудь зможуть спілкуватися через великі мережі, їм знадобиться спосіб передавати багато квантової інформації одночасно – що означає масштабування.

Новий прорив представляє наступний крок у квантовій пропускній спроможності: команда фізиків на чолі з Джіетаєм Цзіном з Східно-Китайського нормального університету досягла квантової телепортації через 100 одночасних каналів, продемонструвавши успішну телепортацію квантової інформації, закодованої в 100-піксельному зображенні.

"Наскільки нам відомо, це дійсно найбільша кількість незалежно адресованих квантових телепортаційних каналів, які коли-небудь демонструвалися одночасно", – сказав Цзін.

"В принципі, ця архітектура може забезпечити гнучкий високопродуктивний інтерфейс для майбутніх квантових комунікаційних мереж".

Квантова телепортація була вперше запропонована в 1993 році і експериментально продемонстрована всього через кілька років.

Незважаючи на свою назву, вона не передбачає зникнення матерії з одного місця і появи в іншому. Натомість квантова телепортація передає квантовий стан однієї системи до іншої, використовуючи спільний заплутаний стан і класичну комунікацію.

З тих пір вчені телепортували квантові стани, використовуючи фотони, атоми та твердотільні кубіти, і на відстані понад 100 кілометрів – навіть з землі до супутника.

Але відстань – це лише один спосіб, яким квантова телепортація повинна масштабуватися. Пропускна спроможність – це інший.

Більшість експериментів з квантовою телепортацією включали один канал або відносно невелику кількість мультиплексованих каналів. Однак велика квантова мережа повинна буде управляти багатьма квантовими станами паралельно.

Це складно, оскільки кожен додатковий канал потребує відповідного заплутаного ресурсу, точно відповідного квантовій інформації, що телепортується.

Цзін і його колеги підійшли до проблеми, організувавши 100 просторово розділених режимів світла в 10 на 10 сітці. Кожен режим можна було незалежно контролювати, що ефективно надавало дослідникам 100 окремих квантових телепортаційних каналів.

Потім вони створили відповідну сітку заплутаного світла і розробили повністю оптичну систему, яка могла обробляти всі 100 каналів паралельно, а не вимагати окремої електронної обробки для кожного з них.

"Подолавши ці дві проблеми, ми реалізуємо квантову телепортацію 100 просторових режимів з точністю, що перевищує відповідні класичні межі", – сказав Цзін.

Наступним кроком було перевірити систему, і тут з'являється 'зображення' – хоча це не слід розуміти як картину, що зникає з одного місця і з'являється в іншому.

"У нашому експерименті зображення закодоване в 10 на 10 масиві просторових оптичних режимів. Кожен режим можна вважати одним пікселем", – пояснив він.

"Більш точно, інформація, що передається квантовою телепортацією, є безперервним квантовим станом оптичного поля в кожному просторовому режимі, що характеризується його амплітудою та фазовими квадратиками.

"Інтенсивний малюнок, сформований усіма цими режимами, колективно представляв цей символ 'Q'".

Іншими словами, кожен з 100 режимів світла діяв як піксель, несучи частину інформації, необхідної для створення букви Q. Команда телепортувала квантовий стан, закодований в кожному режимі паралельно, і відтворила малюнок на приймальному кінці.

Але відтворення букви Q не було єдиним свідченням того, що квантова телепортація відбулася.

Дослідники також виміряли, наскільки близько квантові стани на приймальному кінці відповідали станам на вході. Це вимірюється за допомогою величини, відомої як точність, яка коливається від 0 до 1, де вищі значення вказують на ближче відповідність.

У середньому по зображенню дослідники досягли точності 0.60. Це може не звучати вражаюче – поки ви не порівняєте це з відповідною класичною межею – 0.52 середньою точністю, можливою без допомоги квантового заплутування.

Точність квантової телепортації перевищила класичну межу по всіх 100 просторових режимах, показали дослідники.

Це відкриття свідчить про те, що квантова телепортація не повинна ставати значно більш громіздкою, коли додаються більше каналів.

"Замість того, щоб реалізувати окрему систему телепортації для кожного каналу, наша архітектура дозволяє паралельну роботу по всьому масиву просторових оптичних режимів", – сказав Цзін.

"Коли пропускна спроможність і складність квантових мереж зростають, це відмінність може стати все більш важливим".

Врешті-решт, цей підхід може дати квантовим мережам те, що їм дуже потрібно: пропускну спроможність, що дозволяє різній квантовій інформації подорожувати через кілька каналів паралельно.

Дослідники кажуть, що розмір їхньої сітки 10 на 10 був обмежений в основному приблизно одним ваттом лазерної потужності, доступної для експерименту. Потужніші лазери можуть дозволити додати багато більше просторових режимів – і, отже, більше каналів телепортації.

"Наші результати встановлюють відмінну парадигму для досягнення масштабованої та гнучкої квантової комунікації", – пишуть дослідники у своїй статті.

Сьогодні – буква Q. Завтра… Коти?

Результати були опубліковані в Physical Review Letters.