Quanteninformation und Quantenkommunikation mit hochdimensionaler Informationskodierung (QuICHE)

Motivation

W?hrend in der klassische Datenverarbeitung Information in Form von Bits gespeichert wird, nutzt die Quanteninformation sogenannte Qubits. Ein Bit kann die Werte 0 oder 1 annehmen; ein Qubit hingegen kann gleichzeitig 0 und 1 sein sowie jede beliebige ?berlagerung von beiden. Dadurch kann in Quantenanwendungen Rechenzeit gespart und eine h?here Rechenkapazit?t als bei klassischen Computern erreicht werden. Werden Lichtteilchen – sogenannte Photonen – als Informationstr?ger verwendet, sind die Werte 0 und 1 oft in der Polarisation des Lichts kodiert.

Im Projekt QuICHE ?Quanteninformation und Kommunikation mit hochdimensionaler Kodierung“ (Quantum information and communication with high-dimensional encoding) sollen nun zus?tzliche, bisher ungenutzte Freiheitsgrade von Licht für die Kodierung von Quanteninformation verfügbar gemacht werden. Durch die Nutzung von beispielsweise der Farbe oder Ankunftszeit des Lichts (der spektralen-temporalen ST-Freiheitsgrade) als Informationstr?ger sollen Quanteninformationen mit h?herer Dimensionalit?t (HD) als in bisher verwendeten Verfahren übertragen werden. Um diese ST-Freiheitsgrade zu manipulieren und zu charakterisieren, werden in QuICHE experimentelle Werkzeuge und theoretische Architekturen entwickelt.

Ziele und Vorgehen

Das Ziel des Projekts ist die systematische Untersuchung und Nutzbarmachung des Potenzials praktischer, h?herdimensionaler Kodierung. Dabei kommen sogenannte Qudits (quantum dgits) zum Einsatz, welche die Werte 0, 1, 2, 3, … und deren ?berlagerungen annehmen k?nnen. Diese versprechen neuartige, effiziente Quanteninformationsprotokolle wie z. B. für absolut abh?rsichere Quantenschlüsselverteilung oder Zufallszahlenerzeugung in gro?en Netzwerken, sofern sie mit Glasfasernetzwerken kompatibel sind. In solchen Netzwerken wird die Resistenz gegen St?reinflüsse ein entscheidender Parameter sein. Auch in diesem Zusammenhang soll der m?gliche Nutzen h?herdimensionaler Kodierungen untersucht werden. In enger Zusammenarbeit zwischen Partnern mit experimenteller und theoretischer Expertise werden hierfür neue Methoden, Bauteile und Protokolle entwickelt, deren Implementation auf dem spektralen-temporalen Freiheitsgrad von Licht basiert.

Innovation und Perspektiven

Die Ergebnisse des Projekts sollen neue, praktische Ans?tze für hochdimensionale Quantenschlüsselverteilung liefern. Die Verwendung eines gr??eren, glasfaserkompatiblen Alphabets zur Informationskodierung kann es in Zukunft erm?glichen, quantengesicherte Kommunikation zwischen mehreren Partnern in einer Art Quantenkonferenzschaltung zu gew?hrleisten. Damit leistet das Projekt QuICHE einen Beitrag, um Quantenger?te in Zukunft so vernetzen zu k?nnen, wie es im heutigen Internet mit klassischen Computern m?glich ist.