I ricercatori dell'esercito hanno scoperto un modo per migliorare ulteriormente i sistemi quantistici per fornire ai soldati capacità più affidabili e sicure sul campo di battaglia.

Nello specifico, questa ricerca informa su come le future reti quantistiche saranno progettate per affrontare gli effetti del rumore e della decoerenza, o la perdita di informazioni da un sistema quantistico nell'ambiente.

Essendo una delle aree di ricerca prioritarie dell'esercito degli Stati Uniti nella sua strategia di modernizzazione, la ricerca quantistica aiuterà a trasformare il servizio in una forza multidominio entro il 2035 e ad assolvere alla sua duratura responsabilità come parte della forza congiunta che fornisce la difesa degli Stati Uniti.

"Reti quantistiche, e la scienza dell'informazione quantistica nel suo insieme, porterà potenzialmente a capacità di calcolo insuperabili, comunicazione e rilevamento, " ha detto il dottor Brian Kirby, ricercatore presso il Laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Esempi di applicazioni di interesse dell'esercito includono la condivisione sicura di segreti, rilevamento della rete distribuita e processo decisionale efficiente."

Questo sforzo di ricerca considera come la dispersione, un effetto molto comune riscontrato nei sistemi ottici, impatta gli stati quantistici di tre o più particelle di luce.

La dispersione è un effetto in cui un impulso di luce si diffonde nel tempo mentre viene trasmesso attraverso un mezzo, come una fibra ottica. Questo effetto può distruggere le correlazioni temporali nei sistemi di comunicazione, che può portare a velocità di trasmissione dati ridotte o all'introduzione di errori.

Per capire questo, Kirby ha detto, considera la situazione in cui vengono creati due impulsi luminosi contemporaneamente e l'obiettivo è inviarli a due diversi rilevatori in modo che arrivino contemporaneamente. Se ogni impulso luminoso attraversa un diverso mezzo dispersivo, come due diversi percorsi in fibra ottica, allora ogni impulso sarà spalmato nel tempo, rendendo infine meno correlato il tempo di arrivo degli impulsi.

"Incredibilmente, è stato dimostrato che la situazione è diversa nella meccanica quantistica, " disse Kirby. "Nella meccanica quantistica, è possibile descrivere il comportamento delle singole particelle di luce, chiamati fotoni. Qui, è stato dimostrato dal membro del team di ricerca, il professor James Franson dell'Università del Maryland, Contea di Baltimora, che la meccanica quantistica consente determinate situazioni in cui la dispersione su ciascun fotone può effettivamente annullarsi in modo che i tempi di arrivo rimangano correlati".

La chiave di questo è qualcosa chiamato entanglement, una forte correlazione tra i sistemi quantistici, che non è possibile nella fisica classica, disse Kirby.

In questo nuovo lavoro, "Cancellazione della dispersione non locale per tre o più fotoni, " pubblicato nel peer-reviewed Revisione fisica A, i ricercatori estendono l'analisi a sistemi di tre o più fotoni entangled e identificano in quali scenari i sistemi quantistici superano quelli classici. Questo è unico da una ricerca simile in quanto considera gli effetti del rumore sui sistemi entangled oltre i due qubit, che è dove l'obiettivo principale è stato.

"Questo informa come le future reti quantistiche saranno progettate per affrontare gli effetti del rumore e della decoerenza, in questo caso, dispersione in particolare, " disse Kirby.

Inoltre, basato sul successo del lavoro iniziale di Franson sui sistemi a due fotoni, era ragionevole presumere che la dispersione su una parte di un sistema quantistico potesse sempre essere annullata con la corretta applicazione della dispersione su un'altra parte del sistema.

"Il nostro lavoro chiarisce che la compensazione perfetta non è, generalmente, possibile quando si passa a sistemi entangled di tre o più fotoni, " disse Kirby. "Pertanto, la mitigazione della dispersione nelle future reti quantistiche potrebbe dover avvenire in ogni canale di comunicazione in modo indipendente".

Ulteriore, Kirby ha detto, questo lavoro è prezioso per le comunicazioni quantistiche perché consente una maggiore velocità di trasmissione dei dati.

"È necessaria una tempistica precisa per correlare gli eventi di rilevamento ai diversi nodi di una rete, Kirby ha detto. "Convenzionalmente la riduzione delle correlazioni temporali tra i sistemi quantistici a causa della dispersione richiederebbe l'uso di finestre temporali più ampie tra le trasmissioni per evitare segnali sequenziali confusi".

Poiché il nuovo lavoro di Kirby e dei suoi colleghi descrive come limitare l'incertezza nei tempi di rilevamento congiunto delle reti, consentirà trasmissioni successive in rapida successione.

Il prossimo passo per questa ricerca è determinare se questi risultati possono essere facilmente verificati in un ambiente sperimentale.