Квантова телепортація давно перестала бути лише сюжетом для наукової фантастики. Фізики вже вміють передавати квантові стани на великі відстані, зокрема за допомогою фотонів і супутників. Але залишається одна велика проблема: як передавати одразу багато квантової інформації, не перетворюючи систему на гігантський і надскладний механізм? Команда фізиків під керівництвом Цзетаї Цзіна з Університету Східного Китаю в Шанхаї зробила важливий крок у цьому напрямку. Дослідники продемонстрували квантову телепортацію через 100 незалежних каналів одночасно, використавши для експерименту зображення зі 100 «пікселів». І хоча слово «телепортація» звучить ефектно, йдеться зовсім не про те, що картинка зникла в одному місці й миттєво виникла в іншому. Що насправді телепортували? У квантовій телепортації передається не сама матерія, а квантовий стан системи. Для цього використовують квантову заплутаність — особливий зв’язок між частинками, який дозволяє відтворити стан однієї системи в іншій. У новому експерименті вчені розклали світло на 100 просторових мод, організованих у сітку 10×10. Кожна така мода фактично виконувала роль окремого каналу. У кожному з них містилася частина квантової інформації. Разом усі 100 каналів формували зображення літери «Q». Схема підходу команди до паралельної квантової телепортації. Масив просторових оптичних мод розміром 10 × 10 поєднується з відповідним масивом заплутаного світла Потім дослідники одночасно телепортували квантові стани всіх цих мод і відновили вихідний сигнал на іншому боці системи. Саме це і стало головним досягненням роботи: замість того щоб будувати окремий пристрій для кожного каналу, фізики змогли обробляти всю масивну структуру паралельно. Чому 100 каналів — це так важливо? На перший погляд може здатися, що вчені просто збільшили число каналів зі звичайного одного до ста. Насправді проблема набагато складніша. Кожен додатковий квантовий канал потребує відповідного заплутаного ресурсу та точної обробки сигналу. У традиційних схемах для кожного каналу можуть знадобитися окремі системи детектування, електронної обробки та модуляції. Якщо каналів стає сотні або тисячі, обладнання швидко ускладнюється. Команда Цзіна запропонувала інший підхід. Уся система працює з масивом просторових мод світла, а оптична схема дозволяє обробляти їх паралельно, без необхідності створювати окрему повноцінну систему телепортації для кожного каналу. За словами дослідників, це може стати важливою особливістю майбутніх квантових мереж. Висновки були опубліковані в журналі Physical Review Letters. А наскільки точною виявилася телепортація? Тут результати ще цікавіші. Для оцінки якості квантової телепортації використовують показник fidelity, або точність відтворення квантового стану. Він змінюється від 0 до 1: що ближче значення до одиниці, то краще переданий стан відповідає початковому. У новому експерименті середня fidelity для всієї 100-канальної системи становила приблизно 0,60. Саме по собі це число може здатися не надто великим. Але є важливий нюанс: без використання квантової заплутаності відповідний класичний метод у цій системі давав би приблизно 0,52. Тобто результат квантової схеми перевищив класичну межу в усіх 100 просторових каналах. Це важливий момент: дослідники не просто отримали схоже зображення. Вони продемонстрували, що передача квантових станів у кожному з каналів перевершує те, чого можна було б досягти класичними методами. Це вже квантовий інтернет? Поки що ні. До повноцінного квантового інтернету ще дуже далеко. Однак саме такі експерименти вирішують одну з його ключових проблем — пропускну здатність. Уявіть майбутню квантову мережу, де комп’ютери повинні обмінюватися не одним квантовим станом за раз, а величезною кількістю інформації паралельно. Якщо для кожного каналу потрібне окреме обладнання, масштабування стає надзвичайно складним. Якщо ж багато квантових каналів можна обробляти одночасно в одній оптичній системі, ситуація змінюється. Саме тому експеримент із літерою «Q» може мати значення, набагато більше за красиву демонстрацію наукової лабораторії. І це ще не межа Цікаво, що 100 каналів у цьому експерименті були обмежені не фундаментальним законом фізики. Одним із головних обмежень стала потужність лазера, який використовували дослідники. Для роботи експериментальної системи було доступно близько одного вата потужності. Більш потужне джерело світла потенційно дозволило б збільшити кількість просторових мод — а отже, і число паралельних квантових каналів. Тому наступний крок цілком очевидний: більше каналів, вища пропускна здатність і перевірка системи в умовах, ближчих до реальних квантових мереж. Звісно, між лабораторною демонстрацією та практичним квантовим зв’язком величезна дистанція. Потрібно вирішити ще чимало проблем зі стабільністю, втратами сигналу, масштабуванням заплутаності та інтеграцією таких систем у мережі. Але головна ідея вже продемонстрована: квантову телепортацію можна не лише відправляти далі — її можна масштабувати в ширину. І якщо сьогодні вчені телепортують квантовий стан 100 «пікселів» одночасно, питання тепер звучить уже не «чи можлива квантова телепортація?», а скільки каналів ми зможемо змусити працювати паралельно завтра.

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.Цікавий фактКвантова телепортація була вперше запропонована в 1993 році, і з тих пір вчені досягли значного прогресу в цій галузі, включаючи телепортацію квантових станів на відстані понад 100 км.