Квантовая информатика – это быстрорастущая междисциплинарная область, изучающая новые способы хранения, обработки и передачи информации. Исследователи хотят создать мощные вычислительные возможности, используя новое оборудование, работающее на принципах квантовой физики.
Для армии новые квантовые парадигмы потенциально могут привести к трансформационным возможностям в быстром, эффективном и безопасном сборе, обмене и обработке огромных объемов информации о динамичных полях сражений будущего.
Доктора. Дэн Джонс, Брайан Кирби и Майкл Бродский из U.S. Лаборатория армейских исследований командования по развитию боевых возможностей, к которой присоединились Габриэле Риккарди и профессор Кристиан Антонелли из Университета Аквилы, изучала источники шума в квантовых каналах связи.
По словам Бродского, шум – обычная проблема любого общения – любой, кто когда-либо пользовался радио, рацией или телефоном, время от времени сталкивался с шумным приемом. Инженеры по коммуникациям разрабатывают замысловатые схемы для максимального устранения шума и очистки передаваемого сигнала.
По словам Бродского, квантовые коммуникации ничем не отличаются по восприимчивости к шумам в каналах связи. Фактически, даже больше, чем обычная классическая связь, потому что квантовые сигналы чрезвычайно маломощны.
«Чтобы спроектировать полезную квантовую сеть, мы должны понимать, как далеко, как быстро и насколько надежно мы можем отправлять квантовую информацию», – сказал Бродский. "Это требует понимания шума в каналах связи."
Когда команда смоделировала, эмулировала, охарактеризовала и измерила различные типы шума в квантовых каналах, исследователи поняли, что, хотя некоторые типы квантового шума невозможно отфильтровать, другие можно довольно легко удалить.
Удивительно, но оказалось, что плохой шум можно преобразовать в хороший шум, просто добавив дешевый дополнительный компонент в квантовый канал. Наличие этого дополнительного элемента управления позволяет им настраивать канал и настраивать свойства шума, маскирующего передаваемый сигнал.
Общая цель лаборатории Quantum Networking Group – экспериментальное исследование наиболее эффективных и безопасных способов создания, хранения и обработки квантовой информации на основе современных фотонных технологий. Основная рабочая лошадка группы – лабораторный испытательный стенд для квантовых сетей, который они построили в своей штаб-квартире в Адельфи, штат Мэриленд. Исследователи используют квантовый стенд для тестирования различных фотонных технологических подходов к быстрой и надежной доставке квантовой информации на большие расстояния.
«Мы подходим к нашему исследованию совершенно уникально, нося шляпы системных инженеров», – сказал Джонс.
Сфера исследований группы включает разработку архитектуры и принципов работы квантовых сетей, а также понимание и отображение технологических ограничений на их практическую реализацию и, наконец, изобретение методов и технологий для обхода этих ограничений. Текущие результаты исследования относятся к двум последним категориям.
Следующие проекты в разработке сосредоточены на демонстрации интригующего способа полностью безошибочной передачи квантовой информации. Далее по линии создается многопользовательский испытательный стенд квантовой сети, развернутый в полевых условиях и демонстрирующий протоколы безопасного обмена секретными данными между двумя удаленными городскими кампусами.
Область квантовой информатики переживает бум во всем мире, поскольку потенциально ведет к непревзойденным возможностям в вычислениях, коммуникации и сетях.
Он предлагает новые парадигмы способов обработки информации, которые приведут к безопасному совместному использованию секретов, распределенному сетевому зондированию и эффективному принятию решений.
«Результаты наших исследований – это шаг к тому, чтобы вооружить воина будущего квантовыми преимуществами, и хороший пример того, как операционализация науки приводит к трансформационному превосходству», – сказал Бродский.
Группа обобщила результаты своих исследований в статье «Изучение классической корреляции в шуме для восстановления квантовой информации с использованием локальной фильтрации», принятой рецензируемым New Journal of Physics.