Os pesquisadores do Exército descobriram uma maneira de aprimorar ainda mais os sistemas quânticos para fornecer aos soldados capacidades mais confiáveis ​​e seguras no campo de batalha.

Especificamente, esta pesquisa informa como as futuras redes quânticas serão projetadas para lidar com os efeitos do ruído e da decoerência, ou a perda de informações de um sistema quântico no meio ambiente.

Como uma das áreas de pesquisa prioritárias do Exército dos EUA em sua Estratégia de Modernização, a pesquisa quântica ajudará a transformar a Força em uma força de múltiplos domínios até 2035 e a cumprir sua responsabilidade duradoura como parte da força conjunta de defesa dos Estados Unidos.

"Rede quântica, e ciência da informação quântica como um todo, potencialmente levará a capacidades insuperáveis ​​em computação, comunicação e detecção, "disse o Dr. Brian Kirby, pesquisador do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA. "Exemplos de aplicações de interesse do Exército incluem o compartilhamento seguro de segredos, detecção de rede distribuída e tomada de decisão eficiente. "

Este esforço de pesquisa considera como a dispersão, um efeito muito comum encontrado em sistemas ópticos, impacta estados quânticos de três ou mais partículas de luz.

A dispersão é um efeito em que um pulso de luz se espalha no tempo à medida que é transmitido por um meio, como uma fibra óptica. Este efeito pode destruir as correlações de tempo nos sistemas de comunicação, o que pode resultar em taxas de dados reduzidas ou na introdução de erros.

Para entender isso, Kirby disse, considere a situação em que dois pulsos de luz são criados simultaneamente e o objetivo é enviá-los a dois detectores diferentes para que cheguem ao mesmo tempo. Se cada pulso de luz passa por um meio dispersivo diferente, como dois caminhos de fibra ótica diferentes, então, cada pulso será espalhado com o tempo, em última análise, tornando o tempo de chegada dos pulsos menos correlacionado.

"Surpreendentemente, foi mostrado que a situação é diferente na mecânica quântica, "Kirby disse." Na mecânica quântica, é possível descrever o comportamento de partículas individuais de luz, chamados fótons. Aqui, foi mostrado pelo membro da equipe de pesquisa Professor James Franson, da Universidade de Maryland, Condado de Baltimore, que a mecânica quântica permite certas situações em que a dispersão em cada fóton pode realmente se cancelar de modo que os tempos de chegada permaneçam correlacionados. "

A chave para isso é algo chamado emaranhamento, uma forte correlação entre sistemas quânticos, o que não é possível na física clássica, Kirby disse.

Neste novo trabalho, "Cancelamento de dispersão não local para três ou mais fótons, "publicado na revisão por pares Revisão Física A, os pesquisadores estendem a análise a sistemas de três ou mais fótons emaranhados e identificam em quais cenários os sistemas quânticos superam os clássicos. Isso é único em pesquisas semelhantes, pois considera os efeitos do ruído em sistemas emaranhados além de dois qubits, que é onde o foco principal tem estado.

"Isso informa como as futuras redes quânticas serão projetadas para lidar com os efeitos do ruído e da decoerência, nesse caso, dispersão especificamente, "Kirby disse.

Adicionalmente, com base no sucesso do trabalho inicial de Franson em sistemas de dois fótons, era razoável supor que a dispersão em uma parte de um sistema quântico poderia sempre ser cancelada com a aplicação adequada da dispersão em outra parte do sistema.

"Nosso trabalho esclarece que a compensação perfeita não é, em geral, possível quando você muda para sistemas emaranhados de três ou mais fótons, "Kirby disse." Portanto, a mitigação da dispersão em futuras redes quânticas pode precisar ocorrer em cada canal de comunicação independentemente. "

Avançar, Kirby disse, este trabalho é valioso para comunicações quânticas porque permite taxas de dados aumentadas.

"O tempo preciso é necessário para correlacionar eventos de detecção em diferentes nós de uma rede, Kirby disse. "Convencionalmente, a redução nas correlações de tempo entre os sistemas quânticos devido à dispersão exigiria o uso de janelas de tempo maiores entre as transmissões para evitar sinais sequenciais confusos."

Já que o novo trabalho de Kirby e seus colegas descreve como limitar a incerteza nos tempos de detecção conjunta de redes, permitirá transmissões subsequentes em uma sucessão mais rápida.

A próxima etapa desta pesquisa é determinar se esses resultados podem ser verificados prontamente em um ambiente experimental.