Forskare vid RDECOM Research Laboratory, Arméns företagsforskningslaboratorium (ARL) har hittat ett nytt sätt att skydda kvantinformation under överföring, öppna dörren för säkrare och pålitligare kommunikation för krigsfighters på slagfältet.

De senaste framstegen av banbrytande teknologier inom lasrar och nanofysik, kvantoptik och fotonik har gett forskare de nödvändiga verktygen för att kontrollera och manipulera miniatyrkvantsystem, såsom enskilda atomer eller fotoner – de minsta ljuspartiklarna.

Denna utveckling har gett upphov till ett nytt vetenskapsområde - Quantum Information Science, eller QIS, som studerar information kodad i kvantsystem och omfattar kvantberäkning, kvantkommunikation och kvantavkänning bland andra delfält.

Quantum Information Science tros ha potentialen att forma hur information bearbetas i framtiden.

Arméns företagsforskningslaboratorium investerar i QIS-forskning för att garantera kontinuerlig teknisk överlägsenhet inom detta snabbt växande område, vilket i sin tur kommer att åstadkomma flera nya tekniker inom beräkning, kryptering, säker kommunikation och exakta mätningar.

Dock, att använda kvantinformation, forskare måste hitta robusta sätt att bearbeta och överföra det - en uppgift som Drs. Daniel Jones, Brian Kirby, och Michael Brodsky från laboratoriets direktorat för beräknings- och informationsvetenskap.

"I vår klassiska värld, information förstörs ofta under manipulation och överföring - alla känner till bullriga mobiltelefonanslutningar i dåliga mottagningsområden, sade Brodsky. kommunikationsingenjörer har arbetat med en mängd olika tekniker för att filtrera bort bruset."

I klassisk kommunikation, filtreringen är ganska enkel eftersom den görs lokalt, det är just där informationen tas emot, direkt i din telefon eller internetrouter.

I kvantvärlden, saker blir mycket mer invecklade.

Laboratoriets forskargrupp har undersökt sätt att filtrera brus från små bitar av kvantinformation - kvantbitar eller kvantbitar som skickas över fiberoptiska telekomlänkar.

De upptäckte att filtreringen inte nödvändigtvis behöver göras av den mottagande parten.

"Kanten hos kvanttillstånden i vilka informationen är kodad är sådan att filtreringen lättare kan göras på en annan plats i nätverket, sa Kirby.

Det är rätt, för att fixa en qubit som skickas över en viss rutt, man skulle faktiskt kunna tillämpa ett filter på andra qubits som korsar en annan rutt.

Under det senaste året, forskarna har undersökt problemet med överföring av intrasslade par av fotoner över optiska fibrer.

"Vi började med att utveckla en förståelse för hur fysiska egenskaper hos riktiga telekomfibrer, såsom inneboende kvarvarande dubbelbrytning och polarisationsberoende förlust, eller PDL, påverka kvaliteten på kvantkommunikation, " sa Jones. "Vi utnyttjade en ny matematisk metod, vilket har lett till utvecklingen av en enkel och elegant geometrisk modell av PDL-effekterna på polarisationsintrassling, " tillade Kirby.

Den utvecklade modellen förutsäger både kvaliteten på överförda kvanttillstånd såväl som den hastighet med vilken kvantinformation skulle kunna överföras.

Vidare, labbets team uppfann en ny teknik som hjälper till att minska de skadliga effekterna av bruset.

De utvecklade modellerna validerades experimentellt med den nyligen byggda Quantum Networking Testbed vid labbet, som simulerar den praktiska telekomfiberinfrastrukturen.

"Vi tror att denna forskning har en potential att revolutionera cybersäkerhet och att möjliggöra säker hemlig delning och autentisering för framtidens krigsfighter, " sade Brodsky. "Dessutom, det kommer att påverka utvecklingen av bättre sensorer för positionsnavigering och timing samt kvantdatorer som kan resultera i syntesen av nya specialmaterial med on demand-egenskaper."

Enligt forskarna, för att göra kvantteknologi till verklighet, en storskalig fältutplacerad testbädd måste byggas, på så sätt vägleda utvecklingen av både kvanthårdvara och mjukvara.

En tidskrift som dokumenterar forskningen med titeln "Tuning quantum channels to maximize polarization entanglement for telecom photon pairs" presenteras i den prestigefyllda Nature Partner Journal Quantum Information .