Квантовата телепортация е на път да промени света.
Звучи като научна фантастика: квантовото състояние на една система може да бъде прехвърлено, или „телепортирано“, към друга, намираща се на голямо разстояние, при това със скорост, близка до тази на светлината.
Това е напълно реално и вече е доказано, макар и в сравнително малки мащаби. Но ако някой ден квантовите компютри трябва да комуникират помежду си в рамките на големи мрежи, ще е необходим начин за едновременно предаване на огромни количества квантова информация. За целта технологията трябва да бъде значително мащабирана.
Ново постижение бележи следващата крачка към увеличаването на пропускателната способност на квантовите системи. Екип от физици, ръководен от Дзитай Дзин от Източнокитайския педагогически университет, осъществи квантова телепортация по 100 канала едновременно. Учените демонстрират успеха си, като телепортират квантовата информация, кодирана в изображение от 100 пиксела.
„Доколкото ни е известно, това действително е най-големият брой независимо адресируеми канали за квантова телепортация, демонстрирани едновременно досега“, казва Дзин.
„По принцип тази архитектура би могла да осигури гъвкав интерфейс с голям капацитет за бъдещите квантови комуникационни мрежи.“
Какво всъщност представлява квантовата телепортация
Квантовата телепортация е предложена за първи път през 1993 г., а само няколко години по-късно е демонстрирана експериментално.
Въпреки името си, тя не означава, че материята изчезва от едно място и се появява на друго. При квантовата телепортация квантовото състояние на една система се прехвърля към друга чрез споделено квантово вплитане и класически канал за комуникация.
След първите експерименти учените успяват да телепортират квантови състояния с помощта на фотони, атоми и твърдотелни кубити, както и на разстояния над 100 километра – включително от земната повърхност до спътник.
Разстоянието обаче е само едно от направленията, в които квантовата телепортация трябва да се развива. Другото е капацитетът.
Следващото голямо предизвикателство е капацитетът
Повечето експерименти с квантова телепортация досега включват един канал или сравнително малък брой мултиплексирани канали. Една мащабна квантова мрежа обаче трябва да може да предава едновременно множество квантови състояния.
Това е трудно, защото за всеки допълнителен канал е необходим съответен ресурс от квантово вплитане, прецизно съгласуван с телепортираната информация.
При традиционните подходи за всеки канал може да са необходими отделни системи за детекция, електронна обработка и модулация. Колкото повече канали се добавят, толкова по-сложна става апаратурата.
Сто канала в решетка от 10 на 10
Дзин и колегите му подхождат към проблема, като подреждат 100 пространствено разделени светлинни моди в решетка от 10 на 10. Всяка от тях може да се управлява независимо и така на практика изследователите получават 100 отделни канала за квантова телепортация.
Схема на разработения от екипа метод за паралелна квантова телепортация. Решетка от 10 × 10 пространствени оптични моди е съчетана със съответстваща решетка от вплетена светлина. (Lou et al., Phys. Rev. Lett., 2026)
След това учените създават съответстваща решетка от вплетена светлина и разработват изцяло оптична система, която обработва паралелно всичките 100 канала. Така не се налага всеки от тях да разполага със собствена електронна система за подаване на управляващ сигнал.
„След като преодоляхме тези две предизвикателства, успяхме да осъществим квантова телепортация на 100 пространствени моди със стойности на точността, надхвърлящи съответните класически прагове“, казва Дзин.
Как се телепортира изображение
Следващата стъпка е системата да бъде подложена на изпитание. Именно тук се появява „изображението“, макар че то не бива да се разбира като картина, която изчезва от едно място и се появява на друго, пояснява Дзин.
„В нашия експеримент изображението е кодирано в решетка от 10 × 10 пространствени оптични моди. Всяка мода може да се разглежда като отделен пиксел“, обяснява той.
„По-точно казано, чрез квантова телепортация се прехвърля квантовото състояние с непрекъснати променливи на оптичното поле във всяка пространствена мода. То се характеризира чрез амплитудната и фазовата си квадратура.
Съвкупният модел на интензитета, образуван от всички тези моди, представляваше буквата Q.“
С други думи, всяка от стоте светлинни моди изпълнява роля, подобна на тази на пиксел, и носи част от информацията, необходима за създаването на буквата Q. Екипът телепортира едновременно квантовите състояния, кодирани в отделните моди, а след това възстановява изображението в приемащия край.
Квантова телепортация на буквата Q. Точността на телепортацията (a) надхвърля съответните класически прагове (b), а вдясно са показани първоначалното и възстановеното изображение (c). (Lou et al., Phys. Rev. Lett., 2026)
Резултатите надхвърлят класическия праг
Възпроизвеждането на буквата Q обаче не е единственото доказателство, че е осъществена квантова телепортация.
Изследователите измерват и доколко квантовите състояния в приемащия край съответстват на първоначалните. За целта се използва показател, известен като fidelity, който показва колко точно е прехвърлено състоянието. Стойностите му варират от 0 до 1, като по-високият резултат означава по-голямо съответствие.
За цялото изображение учените постигат средна стойност от 0,60. На пръв поглед това може да не изглежда особено впечатляващо, но резултатът трябва да бъде сравнен със съответния класически праг. Без помощта на квантовото вплитане максималната средна стойност би била едва 0,52.
Изследователите показват, че точността на квантовата телепортация надхвърля класическия праг при всяка от стоте пространствени моди.
Резултатът показва, че добавянето на повече канали не е задължително да превръща системите за квантова телепортация във все по-сложни и тромави конструкции.
„Вместо да изграждаме отделна система за телепортация за всеки канал, нашата архитектура позволява цялата решетка от пространствени оптични моди да работи паралелно“, обяснява Дзин.
„С нарастването на капацитета и сложността на квантовите мрежи тази разлика може да придобива все по-голямо значение.“
Повече канали означават по-голяма пропускателна способност
В крайна сметка този подход би могъл да осигури на квантовите мрежи нещо, от което те силно се нуждаят: по-голяма пропускателна способност, позволяваща различни потоци квантова информация да се предават паралелно по множество канали.
Засега обаче системата има още накъде да се развива.
Според изследователите размерът на решетката от 10 на 10 е бил ограничен най-вече от мощността на лазера, използван за оптичното изпомпване на експерименталната система – около един ват. По-мощни лазери биха позволили да бъдат добавени още много пространствени моди, а следователно и повече канали за телепортация.
„Нашите резултати създават отличен модел за постигането на мащабируема и гъвкава квантова комуникация“, пишат изследователите в своя научен труд.
Днес – буквата Q. Утре… котки?
Резултатите са публикувани в научното списание Physical Review Letters.
