Эффективная тристоронняя схема удалённой подготовки состояний с анализом шума

Обмен квантовой информацией без передачи частиц

Представьте троих людей по всему миру, которые хотят обменяться очень хрупкими фрагментами информации, не посылая при этом сами частицы, которые её несут. В этой статье показано, как такая футуристическая идея на основе квантовой физики может работать одновременно для трёх пользователей, даже когда реальные шумы пытаются исказить их сигналы. Результат — более эффективный способ построения «трубопровода» будущего квантового интернета.

От телепортации к удалённой подготовке

Многие слышали о квантовой телепортации, когда информация об неизвестном квантовом состоянии передаётся из одного места в другое с помощью пары запутанных частиц и классических коммуникаций. Удалённая подготовка состояний — близкий родственник: состояние, которое передаётся, уже известно отправителю, что позволяет упростить некоторые шаги. Вместо того чтобы угадывать передаваемое, отправитель использует предварительное знание, чтобы сократить объём классической информации, которую нужно обменять. Это делает удалённую подготовку состояний привлекательной для квантовых сетей и защищённой связи, где важны и эффективность, и надёжность.

Одновременный трёхсторонний квантовый обмен

Авторы предлагают новую схему, в которой три стороны — традиционно называемые Алиса, Боб и Чарли — могут одновременно обменяться своими однокубитными квантовыми состояниями. Вместо запуска отдельных протоколов для двух пользователей они делят специально спроектированный 12‑кубитный запутанный канал. Каждый пользователь держит по четыре этих кубита и дополнительно имеет один кубит, кодирующий состояние, которое он хочет передать. Выбрав подходящие измерения своих кубитов и применяя простые коррекционные операции, все трое в итоге получают состояния двух других пользователей. За один синхронизированный раунд шесть квантовых состояний успешно меняются между тремя участниками.

Масштабирование сверх одиночных частиц

Протокол не ограничивается однокубитными состояниями. Исследователи показывают, как его можно расширить, чтобы каждый пользователь мог отправлять состояния, составленные из произвольного числа кубитов. Они делают это, сначала сжимая существенную информацию о многокубитном состоянии в один «контрольный» кубит с помощью последовательности стандартных квантовых логических вентилей, а затем применяя свой трёхпользовательский протокол к этим контрольным кубитам. На стороне приёма другой набор вентилей восстанавливает исходные многокубитные состояния. Поскольку базовый 12‑кубитный канал построен полностью из широко используемых вентилей Адамара и CNOT, конструкция модульна: её можно адаптировать к разным размерам сети и измерениям состояний без экзотического оборудования.

Тестирование схемы на современных квантовых устройствах

Чтобы показать, что идея — не просто алгебра на бумаге, авторы реализуют полный трёхпользовательский протокол с использованием открытой среды Qiskit от IBM. Они программируют 12‑кубитный канал, измерения для Алисы, Боба и Чарли, а также последующие коррекционные операции, предписанные протоколом. Запуская схему многократно (1000 «выстрелов»), они изучают статистику результатов измерений для финальных кубитов у каждого пользователя. Измеренные распределения вероятностей очень хорошо совпадают с предсказанными в идеальной симуляции без шума, что подтверждает, что схема достоверно передаёт предполагаемые квантовые состояния.

Как шум разъедает квантовые сигналы

Реальные устройства никогда не бывают идеальными, поэтому авторы идут дальше и анализируют, как разные виды шума влияют на их протокол. Они моделируют пять распространённых типов возмущений: три, реализующие парные квантовые флипы (известные как XX, YY и ZZ шум), деполяризующий канал, который случайным образом перемешивает кубит, и канал амплитудного затухания, имитирующий потерю энергии. В их симуляциях части общего запутанного канала подвергаются этим шумовым воздействиям до того, как запускается протокол. Затем они сравнивают принятые состояния с идеальными с помощью величины, называемой фиделити, измеряющей схожесть двух квантовых состояний. Усредняя фиделити по множеству возможных входных состояний и меняя силу шума, они находят, что схема в целом устойчива, причём амплитудное затухание оказывается наименее вредным среди рассмотренных моделей.

Почему это важно для квантового интернета

По сравнению с ранними методами трёхсторонней удалённой подготовки состояний новая схема упаковывает больше информации в те же квантовые ресурсы. Она подготавливает шесть однокубитных состояний, используя 12‑кубитный канал, что даёт эффективность 0,50 — выше, чем в предыдущих схемах, которые управлялись тремя состояниями при меньшем числе кубитов канала. Тот факт, что схема опирается только на стандартные вентили и была протестирована в реалистичных симуляциях, делает её перспективным кандидатом для ближайших экспериментов. Для неспециалиста ключевая мысль такова: эта работа показывает, как три пользователя могут надёжно и эффективно обменяться квантовой информацией в одном согласованном шаге, даже при наличии шума — небольшой, но важный шаг к практическим много пользователям квантовым сетям и защищённой квантовой связи.

Цитирование: Bolokian, M., Orouji, A.A. & Houshmand, M. An efficient tripartite remote state preparation scheme with noise analysis. Sci Rep 16, 7243 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35816-8

Ключевые слова: квантовая коммуникация, удалённая подготовка состояний, запутанность, квантовые сети, устойчивость к шуму