Физики одновременно телепортировали квантовые состояния света по 100 независимо управляемым оптическим каналам. В лабораторной установке исследователи собрали каналы в решётку 10 × 10 и перенесли закодированное в них состояние так, что на приёмной стороне удалось восстановить 100-пиксельный рисунок в форме буквы Q. Авторы считают результат шагом к квантовым сетям, которым потребуется передавать множество состояний параллельно, а не по одному.
Под телепортацией здесь понимается не перенос частиц или изображения через пространство. Квантовая телепортация позволяет воспроизвести состояние одной системы в другой, используя заранее подготовленную квантовую запутанность. Исходный объект при таком процессе никуда не исчезает и не возникает в другом месте, а сам метод не позволяет передавать полезную информацию быстрее света.
В эксперименте физики разделили поперечный профиль лазерного луча на 100 пространственных мод. Каждая мода работала как отдельный канал и управлялась независимо от соседних. Пространственный модулятор света с компьютерными голограммами позволял менять конфигурацию всей решётки программно.
Для каждого из ста каналов исследователи подготовили соответствующую запутанную оптическую моду. Запутанный свет создавали с помощью четырёхволнового смешения в горячем паре рубидия, где взаимодействие нескольких световых волн порождает новые связанные оптические поля. Чтобы условия оставались примерно одинаковыми по всей решётке, луч накачки сделали почти равномерным по интенсивности.
Одна из главных трудностей возникала не при создании ста каналов, а при их одновременной обработке. Обычная схема квантовой телепортации для большого числа каналов быстро усложняется, поскольку каждому из них могут понадобиться отдельные детекторы, электронная обработка и коррекция состояния. Авторы заменили такой набор общей полностью оптической схемой, которая выполняла необходимые операции сразу для всей решётки.
Для демонстрации исследователи распределили изображение буквы Q по решётке 10 × 10, где каждая пространственная мода играла роль одного пикселя. Передавался не обычный цвет или яркость пикселя, а непрерывное квантовое состояние оптического поля, определяемое его амплитудой и фазой. После обработки ста каналов система восстановила общий рисунок на приёмной стороне.
Физики проверили не только сходство полученного изображения с исходным. Для каждого канала измерили точность воспроизведения квантового состояния, которую в подобных экспериментах называют достоверностью. Среднее значение для ста мод составило 0,60 при классическом пределе около 0,52. Все 100 каналов превысили соответствующие пределы, достижимые без использования квантовой запутанности.
Параллельная работа нужна прежде всего для увеличения пропускной способности будущих квантовых сетей. Предыдущие эксперименты часто передавали состояния последовательно или объединяли несколько каналов внутри разных свойств одного луча, из-за чего приёмнику требовалась сложная процедура разделения данных. Пространственно разнесённые моды можно контролировать по отдельности, сохраняя при этом одновременную обработку всей группы.
До действующей квантовой сети новой установке ещё далеко. Эксперимент проходил в лабораторной оптической системе и не демонстрировал передачу ста каналов на большое расстояние по городскому оптоволокну или через свободное пространство. Результат показывает прежде всего возможность увеличить число параллельно обрабатываемых квантовых состояний.
Размер решётки ограничила доступная мощность лазера накачки, которая составляла примерно 1 Вт. Авторы рассчитывают, что более мощные лазеры и усилители позволят увеличить число пространственных мод. Ту же архитектуру в дальнейшем хотят применять не только для телепортации, но и для создания крупных квантовых состояний, распределённых вычислений и сетей с несколькими квантовыми узлами.
