Паралелен пренос през лазерно поле вместо единични фотонни трасета
Научните публикации около квантовата телепортация редовно страдат от терминалогично замърсяване. Когато се говори за пренос, в публичното пространство бързо се настанява представата за физическо преместване на обекти. В реалността на експерименталната физика става дума единствено за пренасяне на неизвестно квантово състояние от една точка до друга с помощта на предварително разпределен ресурс от заплетени частици и съпътстващ класически сигнал. От теоретичното формулиране на принципа през 1993 г. до първите успешни опити в края на миналия век, процесът се разглеждаше предимно в режим на единични канали — пренасяне на състоянието на един фотон, един ион или твърдотелен кюбит.
Основният препъникамък пред изграждането на реална квантова комуникационна инфраструктура никога не е бил разстоянието сама по себе си. Демонстрациите с пренос на над 100 километра по оптично влакно или през спътникови връзки в ниска околоземна орбита доказаха, че физиката работи. Истинският проблем се крие в системния дебит. Когато една комуникационна система разчита на един-единствен пространствен канал, всяко увеличение на обема пренасяна информация изисква пропорционално мултиплициране на физическия хардуер. В класическите оптични мрежи този казус се решава с пространствено и честотно мултиплексиране. В квантовата оптика обаче всеки нов канал традиционно изисква самостоятелен източник на заплетени състояния, прецизно напаснати оптични пътища и най-вече — самостоятелен блок от чувствителни детектори с прилежащата им обработваща електроника. При опит да се мащабира такава архитектура до стотици канали, лабораторната инсталация бързо удря в тавана на техническата осъществимост заради натрупването на шум, топлинни загуби и некохерентност.
Решетката 10 на 10 и елиминирането на индивидуалната електроника
Инженерното решение, предложено от екипа на Зетай Дзин, стъпва върху използването на непрекъснати променливи на светлинното поле и пространствено структурирани лъчи. Вместо да сглобяват 100 отделни лазерни линии, изследователите конфигурират напречното сечение на един лазерен сноп в решетка от 10 на 10 самостоятелни пространствени режима. Всеки от тези режими функционира като независим комуникационен канал, но се управлява и обработва в рамките на единна оптична система.
За да реализират телепортацията, физиците генерират съответстваща заплетена светлинна решетка със същата геометрия. Ключовият пробив тук не е просто в генерирането на многорежимно заплитане, а в начина на измерване и кодиране. Вместо да разделят лъча на 100 отделни лъча и да насочват всеки от тях към отделен фотодетектор, китайските учени конструират изцяло оптичен аналогов процесор. Той извършва необходимите трансформации над цялата матрица от режими едновременно, преди сигналът да бъде регистриран. Това спестява огромно количество конвертираща електроника, която обикновено вкарва допълнителен дефазиращ шум.
За демонстрация на системата е избрано матрично изображение на буквата Q с резолюция от 100 пиксела. Всеки пиксел съответства на един пространствен режим, в който е кодирано непрекъснато квантово състояние на електромагнитното поле. При анализа на получените данни изследователите измерват така наречената fidelity (точност на съответствието между входното и изходното състояние) — параметър, съществуващ в границите от 0 до 1.
Трябва да се отчете, че средната точност, постигната в експеримента, е 0.60. За лаика това число може да изглежда ниско, но в квантовата механика то носи фундаментално значение. При липса на квантово заплитане, тоест при използване само на класически комуникационен канал, теоретичният таван за пренос на такъв тип състояния е твърдо ограничен до 0.52. Измерването на стойност 0.60 във всички 100 канала без изключение потвърждава, че преносът задължително използва квантовата корелация на системата и че класическата граница е преодоляна паралелно в целия масив.
