Forskere finder sikkerhedsforanstaltninger for kvantekommunikation

Hærens forskere udviklede en ny måde at beskytte og beskytte kvanteinformation, flytte kvantenetværk et skridt tættere på virkeligheden.

Kvanteinformationsvidenskab er et hurtigt voksende tværfagligt felt, der udforsker nye måder at opbevare, manipulere og kommunikere information. Forskere ønsker at skabe kraftfulde beregningsmuligheder ved hjælp af ny hardware, der opererer efter kvantefysiske principper.

For hæren, de nye kvanteparadigmer kan potentielt føre til transformationsevner hurtigt, effektiv og sikker indsamling, udveksling og behandling af enorme mængder information om fremtidens dynamiske slagmarker.

Drs. Dan Jones, Brian Kirby og Michael Brodsky fra U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory, sammen med Gabriele Riccardi og professor Cristian Antonelli fra University of L'Aquila, undersøgt kilder til støj i kvantekommunikationskanaler.

Støj er en almindelig plage for enhver kommunikation - enhver, der nogensinde har brugt en radio, en walkie-talkie eller en telefon oplevede støjende modtagelse nu og da, Sagde Brodsky. Kommunikationsingeniører udtænker indviklede planer for at fjerne støjen og rense det transmitterede signal så meget som muligt.

Ifølge Brodsky, kvantekommunikation er ikke anderledes i deres modtagelighed for støj i kommunikationskanaler. Faktisk, endnu mere end den almindelige klassiske kommunikation, fordi kvantesignalerne har ekstremt lav effekt.

"At konstruere et nyttigt kvantenetværk, vi skal forstå, hvor langt, hvor hurtigt og pålideligt vi kunne sende kvanteinformation, " sagde Brodsky. "Det kræver forståelse af støjen i kommunikationskanalerne."

Som teamet modellerede, emuleret, karakteriseret og målt forskellige typer støj i kvantekanaler, forskerne indså, at mens nogle kvantestøjtyper er umulige at filtrere fra, andre kunne fjernes ganske let.

Overraskende nok, det viser sig, at den dårlige støj kunne konverteres til god støj ved blot at tilføje en billig ekstra komponent til kvantekanalen. Med denne ekstra kontrol kan de justere kanalen og justere egenskaberne for den støj, der dækker det transmitterede signal.

Det overordnede fokus for laboratoriets Quantum Networking Group er eksperimentelt at udforske de mest effektive og sikre måder at skabe, lagre og behandle kvanteinformation baseret på datidens topmoderne fotoniske teknologier. Gruppens vigtigste arbejdshest er laboratoriets kvantenetværkstestbed, som de har bygget i hovedkvarteret i Adelphi, Maryland. Forskere bruger kvantetestbedet til at teste forskellige fotoniske teknologiske tilgange til hurtig og robust levering af kvanteinformation over store afstande.

"Vi nærmer os vores forskning helt unikt ved at bære systemingeniørhatte, " sagde Jones.

Forskningsomfanget af gruppen spænder over udvikling af arkitekturen og operationelle principper for kvantenetværk, samt forståelse og kortlægning af teknologiske begrænsninger for dens praktiske implementering, og, endelig, opfinde metoder og teknikker til at konstruere omkring disse begrænsninger. De aktuelle forskningsresultater tilhører de to sidstnævnte kategorier.

De næste projekter i pipelinen fokuserer på at demonstrere en spændende måde til fuldstændig fejlfri transmission af kvanteinformation. Længere nede på linjen opretter et multi-user quantum network testbed, der er indsat i feltet og demonstrerer sikre hemmelige delingsprotokoller mellem to afstandsmetropoler.

Kvanteinformationsvidenskaben blomstrer på verdensplan, da det potentielt fører til uovertrufne muligheder inden for beregning, kommunikation og netværk. Det tilbyder nye paradigmer i måden, hvorpå information håndteres, hvilket ville føre til sikker hemmelig deling, distribueret netværksregistrering og effektiv beslutningstagning.

"Vores forskningsresultater er et skridt i retning af at bevæbne fremtidens krigskæmper med kvantefordele og et godt eksempel på, hvordan operationalisering af videnskab resulterer i transformationsovermatch, " sagde Brodsky.

Gruppen opsummerede deres forskningsresultater i et papir, Udforskning af klassisk korrelation i støj for at genvinde kvanteinformation ved hjælp af lokal filtrering, accepteret af den peer-reviewede New Journal of Physics .