Arméforskare upptäckte ett sätt att ytterligare förbättra kvantsystem för att ge soldater mer tillförlitliga och säkra kapaciteter på slagfältet.

Specifikt, denna forskning informerar om hur framtida kvantnät kommer att utformas för att hantera effekterna av buller och dekoherens, eller förlust av information från ett kvantsystem i miljön.

Som ett av den amerikanska arméns prioriterade forskningsområden i sin moderniseringsstrategi, kvantforskning kommer att bidra till att omvandla tjänsten till en flerdomänstyrka senast 2035 och leverera sitt bestående ansvar som en del av den gemensamma styrka som tillhandahåller försvaret av USA.

"Kvantnätverk, och kvantinformationsvetenskap som helhet, kommer potentiellt att leda till oöverträffade beräkningsmöjligheter, kommunikation och känsla, " sa Dr Brian Kirby, forskare vid U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory. "Exempel på tillämpningar av arméintresse inkluderar säker hemlighetsdelning, distribuerad nätverksavkänning och effektivt beslutsfattande."

Denna forskningssatsning överväger hur spridning, en mycket vanlig effekt som finns i optiska system, påverkar kvanttillstånd för tre eller flera ljuspartiklar.

Dispersion är en effekt där en ljuspuls sprids ut i tiden när den sänds genom ett medium, såsom en fiberoptik. Denna effekt kan förstöra tidskorrelationer i kommunikationssystem, vilket kan resultera i minskade datahastigheter eller införande av fel.

För att förstå detta, Kirby sa, överväg situationen där två ljuspulser skapas samtidigt och målet är att skicka dem till två olika detektorer så att de kommer samtidigt. Om varje ljuspuls går genom ett annat dispersivt medium, såsom två olika fiberoptiska vägar, då kommer varje puls att spridas i tiden, vilket slutligen gör pulsernas ankomsttid mindre korrelerad.

"Otroligt, det visades att situationen är annorlunda inom kvantmekaniken, " sa Kirby. "Inom kvantmekaniken, det är möjligt att beskriva beteendet hos enskilda ljuspartiklar, kallas fotoner. Här, det visades av forskargruppsmedlem professor James Franson från University of Maryland, Baltimore County, att kvantmekaniken tillåter vissa situationer där dispersionen på varje foton faktiskt kan upphäva så att ankomsttiderna förblir korrelerade."

Nyckeln till detta är något som kallas intrassling, en stark korrelation mellan kvantsystem, vilket inte är möjligt i klassisk fysik, sa Kirby.

I detta nya verk, "Icke-lokal spridningsannullering för tre eller fler fotoner, " publicerad i den peer-reviewade Fysisk granskning A, forskarna utökar analysen till system med tre eller fler intrasslade fotoner och identifierar i vilka scenarier kvantsystem överträffar de klassiska. Detta är unikt från liknande forskning eftersom det tar hänsyn till effekterna av brus på intrasslade system bortom två qubits, det är där det primära fokus har varit.

"Detta informerar om hur framtida kvantnät kommer att utformas för att hantera effekterna av buller och dekoherens, I detta fall, dispersion specifikt, sa Kirby.

Dessutom, baserat på framgången med Fransons inledande arbete med system av tvåfotoner, det var rimligt att anta att dispersion på en del av ett kvantsystem alltid kunde upphävas med korrekt applicering av dispersion på en annan del av systemet.

"Vårt arbete klargör att perfekt kompensation inte är i allmänhet, möjligt när du flyttar till intrasslade system med tre eller fler fotoner, " sa Kirby. "Därför, spridningsbegränsning i framtida kvantnätverk kan behöva äga rum i varje kommunikationskanal oberoende."

Ytterligare, Kirby sa, detta arbete är värdefullt för kvantkommunikation eftersom det möjliggör ökade datahastigheter.

"Exakt timing krävs för att korrelera detektionshändelser vid olika noder i ett nätverk, "Kirby sa. "Konventionellt skulle minskningen av tidskorrelationer mellan kvantsystem på grund av spridning nödvändiggöra användningen av större tidsfönster mellan sändningar för att undvika förvirrande sekventiella signaler."

Eftersom Kirby och hans kollegors nya arbete beskriver hur man begränsar osäkerheten i gemensamma upptäcktstider för nätverk, det kommer att tillåta efterföljande sändningar i snabbare följd.

Nästa steg för denna forskning är att avgöra om dessa resultat lätt kan verifieras i en experimentell miljö.