Hærens videnskabsmænd tager nye drejninger på kvanteforskning

Hærens forskere opdagede en måde at forbedre kvantesystemerne yderligere for at give soldater mere pålidelige og sikre kapaciteter på slagmarken.

Specifikt, denne forskning informerer om, hvordan fremtidige kvantenetværk vil blive designet til at håndtere virkningerne af støj og dekohærens, eller tab af information fra et kvantesystem i miljøet.

Som et af den amerikanske hærs prioriterede forskningsområder i sin moderniseringsstrategi, kvanteforskning vil hjælpe med at omdanne tjenesten til en multidomænestyrke inden 2035 og levere på sit vedvarende ansvar som en del af den fælles styrke, der sørger for forsvaret af USA.

"Kvante netværk, og kvanteinformationsvidenskab som helhed, vil potentielt føre til uovertrufne evner inden for beregning, kommunikation og sansning, " sagde Dr. Brian Kirby, forsker ved U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Eksempler på anvendelser af hærens interesse omfatter sikker hemmelig deling, distribueret netværksregistrering og effektiv beslutningstagning."

Denne forskningsindsats overvejer, hvordan spredning, en meget almindelig effekt fundet i optiske systemer, påvirker kvantetilstande af tre eller flere lyspartikler.

Dispersion er en effekt, hvor en lysimpuls spredes ud i tiden, når den transmitteres gennem et medium, såsom en fiberoptik. Denne effekt kan ødelægge tidskorrelationer i kommunikationssystemer, hvilket kan resultere i reducerede datahastigheder eller indførelse af fejl.

For at forstå dette, Kirby sagde, overvej situationen, hvor der skabes to lysimpulser samtidigt, og målet er at sende dem til to forskellige detektorer, så de ankommer på samme tid. Hvis hver lysimpuls går gennem forskellige dispersive medier, såsom to forskellige fiberoptiske veje, så vil hver puls blive spredt i tid, i sidste ende gør pulsernes ankomsttid mindre korreleret.

"Utroligt nok, det blev vist, at situationen er anderledes inden for kvantemekanik, " sagde Kirby. "I kvantemekanik, det er muligt at beskrive opførselen af ​​individuelle lyspartikler, kaldet fotoner. Her, det blev vist af forskerteammedlem professor James Franson fra University of Maryland, Baltimore County, at kvantemekanikken tillader visse situationer, hvor spredningen på hver foton faktisk kan udligne, så ankomsttiderne forbliver korrelerede."

Nøglen til dette er noget, der kaldes sammenfiltring, en stærk sammenhæng mellem kvantesystemer, hvilket ikke er muligt i klassisk fysik, sagde Kirby.

I dette nye værk, "Ikke-lokal spredningsannullering for tre eller flere fotoner, " offentliggjort i den peer-reviewede Fysisk gennemgang A, forskerne udvider analysen til systemer med tre eller flere sammenfiltrede fotoner og identificerer, i hvilke scenarier kvantesystemer udkonkurrerer de klassiske. Dette er unikt fra lignende forskning, da det betragter virkningerne af støj på sammenfiltrede systemer ud over to-qubits, hvor det primære fokus har været.

"Dette informerer om, hvordan fremtidige kvantenetværk vil blive designet til at håndtere virkningerne af støj og dekohærens, I dette tilfælde, spredning specifikt, " sagde Kirby.

Derudover baseret på succesen med Fransons indledende arbejde med systemer af to-fotoner, det var rimeligt at antage, at spredning på én del af et kvantesystem altid kunne ophæves med den korrekte anvendelse af spredning på en anden del af systemet.

"Vores arbejde præciserer, at perfekt kompensation ikke er, generelt, muligt, når du bevæger dig til sammenfiltrede systemer med tre eller flere fotoner, " sagde Kirby. "Derfor, spredningsreduktion i fremtidige kvantenetværk skal muligvis finde sted i hver kommunikationskanal uafhængigt."

Yderligere, Kirby sagde, dette arbejde er værdifuldt for kvantekommunikation, fordi det giver mulighed for øgede datahastigheder.

"Nøjagtig timing er påkrævet for at korrelere detektionsbegivenheder ved forskellige knudepunkter i et netværk, "Kirby sagde. "Konventionelt ville reduktionen i tidskorrelationer mellem kvantesystemer på grund af spredning nødvendiggøre brugen af ​​større tidsvinduer mellem transmissioner for at undgå forvirrende sekventielle signaler."

Da Kirby og hans kollegers nye arbejde beskriver, hvordan man begrænser usikkerheden i fælles detektionstider for netværk, det vil tillade efterfølgende transmissioner i hurtigere rækkefølge.

Det næste trin for denne forskning er at afgøre, om disse resultater let kan verificeres i en eksperimentel indstilling.