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».

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.