Ausbeutung unendlicher Dimensionen für Quanteninformation

Quanteneffekte sind die Grundlage für die Weiterentwicklung moderner Kommunikations-, Informations- und Rechenwege. Die meisten der bestehenden Vorschläge und Techniken hinter dem Quantenvorteil gegenüber gegenwärtigen Technologien basieren auf der Erzeugung, Manipulation und Kontrolle von Qubits. Qubits sind die Quantenversion des klassischen Binärbits, die physikalisch mit einem Zweizustandsgerät realisiert wird. Diese Zustände können sich in diesem aufregenden Fall in einer kohärenten Überlagerung befinden, die komplexe Interferenzphänomene erzeugt. Mit diesem Vorschlag wollen wir neue Werkzeuge erforschen, um die Quanteneigenschaften unendlichdimensionaler Systeme auszunutzen, z.B. elektromagnetische Felder, für solche Anwendungen. Die wahrscheinlich effizientesten Architekturen für die effektive Übertragung und Speicherung von Quanteninformationen und auch von optimalen Quantenmaschinen werden hybrider Natur sein und die Vorteile von Qubits und Feldern insgesamt nutzen. Diese beiden Arten von Systemen haben grundlegend unterschiedliche mathematische Beschreibungen, die eine konsistente Aufteilung innerhalb der Quanteninformationsgemeinschaft markieren. Unser Ziel ist es, eine Allianz zwischen den beiden Teilen zu stärken, die informationstheoretische Untersuchung hybrider endlicher und unendlich dimensionaler Systeme voranzutreiben, bessere Ressourcen für eine zuverlässige Messung von Zuständen und Korrelationen zu identifizieren und die eindeutige Rolle von Diskretisierungsstrategien zu verstehen. Die neuen Techniken werden Forschern dabei helfen, Quantenkorrelationen in mehrteiligen Systemen mathematisch zu beschreiben und zu quantifizieren. Die Untersuchung dieser mehrdimensionalen verschränkten Zustände komplexer Quantensysteme könnte einen praktikableren Weg zum Bau hocheffizienter Quantencomputer und effektiverer Kommunikation aufzeigen. Unser Ziel ist es, einheitliche und zugängliche theoretische Methoden zur Charakterisierung, Verifizierung und Benchmarking der Quanteneigenschaften solcher Hybridsysteme zu entwickeln.

Quantum effects drive modern communication, information processing, and computation by manipulating quantum states, such as qubits, capable of coherent superpositions and intricate interference. These quantum systems can be discrete and finite-dimensional (e.g., polarized single photons) or continuous and infinite-dimensional (e.g., electromagnetic fields). While finite-dimensional systems are well-understood, infinite-dimensional ones remain underexplored for quantum information processing. We focus on continuous-variable and hybrid states, combining qubits and fields. Despite their distinct mathematical descriptions, we rigorously consider different notions of entanglement in particles and fields and showed unequivocally that those entanglement structures are not only different, as was known, but actually independent. Additionally to correlations of states, we explore entanglement for detection devices in theory and experiment, providing a versatile toolbox for analyzing quantum-correlation features. We also establish the equivalence between nonclassical polarization and photon entanglement, uniting two seemingly disparate phenomena. We also demonstrated that genuine multipartite entanglement is activable via multicopy in infinite dimensions. This kind of entanglement is crucial for efficient quantum communication in complex networks, and it was previously only understood for finite-dimensional states. These advancements enhance our understanding of quantum systems and drive progress toward high-efficiency quantum computers and communication systems. Our results contribute to a unified framework for characterizing complex quantum systems, furthering advancements in quantum technology.