Legeronderzoekers ontdekten een manier om kwantumsystemen verder te verbeteren om soldaten meer betrouwbare en veilige mogelijkheden op het slagveld te bieden.

specifiek, dit onderzoek informeert hoe toekomstige kwantumnetwerken zullen worden ontworpen om met de effecten van ruis en decoherentie om te gaan, of het verlies van informatie van een kwantumsysteem in de omgeving.

Als een van de prioritaire onderzoeksgebieden van het Amerikaanse leger in zijn moderniseringsstrategie, kwantumonderzoek zal helpen om de dienst tegen 2035 om te vormen tot een multidomeinmacht en om zijn blijvende verantwoordelijkheid waar te maken als onderdeel van de gezamenlijke strijdmacht die de Verenigde Staten moet verdedigen.

"Kwantumnetwerken, en kwantuminformatiewetenschap als geheel, zal mogelijk leiden tot onovertroffen rekencapaciteiten, communicatie en gevoel, " zei dr. Brian Kirby, onderzoeker bij het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "Voorbeelden van toepassingen die van belang zijn voor het leger zijn onder meer het veilig delen van geheime informatie, gedistribueerde netwerkdetectie en efficiënte besluitvorming."

Deze onderzoeksinspanning beschouwt hoe dispersie, een veel voorkomend effect dat wordt aangetroffen in optische systemen, beïnvloedt kwantumtoestanden van drie of meer lichtdeeltjes.

Dispersie is een effect waarbij een lichtpuls zich in de tijd verspreidt terwijl het door een medium wordt uitgezonden, zoals glasvezel. Dit effect kan tijdcorrelaties in communicatiesystemen vernietigen, wat kan leiden tot verminderde datasnelheden of de introductie van fouten.

Om dit te begrijpen, Kirby zei, overweeg de situatie waarin twee lichtpulsen tegelijkertijd worden gegenereerd en het doel is om ze naar twee verschillende detectoren te sturen zodat ze op hetzelfde moment aankomen. Als elke lichtpuls door een ander dispersief medium gaat, zoals twee verschillende glasvezelpaden, dan wordt elke puls in de tijd gespreid, waardoor de aankomsttijd van de pulsen uiteindelijk minder gecorreleerd is.

"Verbazingwekkend, er werd aangetoond dat de situatie anders is in de kwantummechanica, "Zei Kirby. "In de kwantummechanica, het is mogelijk om het gedrag van individuele lichtdeeltjes te beschrijven, fotonen genoemd. Hier, het werd aangetoond door onderzoeksteamlid professor James Franson van de Universiteit van Maryland, Baltimore County, dat de kwantummechanica bepaalde situaties mogelijk maakt waarin de dispersie op elk foton daadwerkelijk kan worden opgeheven, zodat de aankomsttijden gecorreleerd blijven."

De sleutel hiervoor is iets dat verstrengeling wordt genoemd, een sterke correlatie tussen kwantumsystemen, wat niet mogelijk is in de klassieke natuurkunde, zei Kirby.

In dit nieuwe werk "Niet-lokale dispersie-annulering voor drie of meer fotonen, " gepubliceerd in de peer-reviewed Fysieke beoordeling A, de onderzoekers breiden de analyse uit naar systemen van drie of meer verstrengelde fotonen en identificeren in welke scenario's kwantumsystemen beter presteren dan klassieke. Dit is uniek ten opzichte van soortgelijk onderzoek omdat het de effecten van ruis op verstrengelde systemen buiten twee qubits beschouwt, dat is waar de primaire focus is geweest.

"Dit informeert hoe toekomstige kwantumnetwerken zullen worden ontworpen om om te gaan met de effecten van ruis en decoherentie, in dit geval, verspreiding specifiek, ' zei Kirby.

Aanvullend, gebaseerd op het succes van Fransons eerste werk aan systemen van twee fotonen, het was redelijk om aan te nemen dat dispersie op het ene deel van een kwantumsysteem altijd kon worden opgeheven met de juiste toepassing van dispersie op een ander deel van het systeem.

"Ons werk maakt duidelijk dat perfecte compensatie niet in het algemeen, mogelijk wanneer je naar verstrengelde systemen van drie of meer fotonen gaat, "zei Kirby. "Daarom, dispersiebeperking in toekomstige kwantumnetwerken moet mogelijk onafhankelijk in elk communicatiekanaal plaatsvinden."

Verder, Kirby zei, dit werk is waardevol voor kwantumcommunicatie omdat het hogere gegevenssnelheden mogelijk maakt.

"Nauwkeurige timing is vereist om detectiegebeurtenissen op verschillende knooppunten van een netwerk te correleren, "Zei Kirby. "Conventioneel zou de vermindering van tijdcorrelaties tussen kwantumsystemen als gevolg van dispersie het gebruik van grotere timingvensters tussen transmissies noodzakelijk maken om verwarrende sequentiële signalen te voorkomen."

Aangezien het nieuwe werk van Kirby en zijn collega's beschrijft hoe de onzekerheid in gezamenlijke detectietijden van netwerken kan worden beperkt, het zal volgende transmissies sneller achter elkaar mogelijk maken.

De volgende stap voor dit onderzoek is om te bepalen of deze resultaten gemakkelijk kunnen worden geverifieerd in een experimentele setting.