Quantenkommunikationsnetzwerke: Design und Anwendungen

Quantenkommunikationist einederSchlüsselanwendungendermodernen Quantentechnologien. Die Erhöhung der Reichweite auf interkontinentale Distanzen ist dabei ein wichtiges und notwendiges Ziel, um ein weltweites Quantennetzwerk zu erreichen. Ein solches Quanteninternet ist ein zentrales Element einer Vielzahl von Anwendungen, welche von sicherer Kommunikation über dezentrales Quantenrechnen bis zu Sensornetzwerken reichen. Bisherige Forschungsarbeiten haben sich auf die direkte Kommunikation zwischen zwei Punkten konzentriert. Dabei wurden Methoden für die Kommunikation über große Distanzen, basierendauf Quantenfehlerkorrektur bzw.derErzeugung undReinigung von Verschränkung-, sogenannten Quanten Repeatern, entwickelt, welche im Prinzip erlauben, die Einschränkungen durch Absorption und Rauschen im Kanal und in der lokalen Apparatur zu überwinden. Experimentell wurden sowohl die Quantenkryptographie über kurze Distanzen, als auch die Grundprinzipien der Kommunikation über große Distanzen, u.a. Einzelphotonenquellen, Interfaces und Speicher, demonstriert. Allerdings wurde bisher noch kein Quantennetzwerk über große Distanzen implementiert. Viele Aspekte der Vielparteienquantenkommunikation wurden bisher aber noch nicht genauer untersucht. Ein Vielparteienproblem verlangt nach einer Vielparteien-Lösung, wobei Vorteile eines ganzheitlichen Ansatzes gegenüber einer Zweiparteien-Lösung zu erwarten sind. In diesem Projekt werden das Design und mögliche Anwendungen eines solchen Quantennetzwerkes untersucht. Im Detail wird dabei auf folgende Aspekte eingegangen: Vielparteien Netzwerk: Untersuchung des Designs und der Optimierung von Vielteilchen-Netzwerken, basierend auf der direkten Verteilung von Vielparteien- Quantenzuständen, wobei diese Ansätze mit bipartiten Methoden verglichen werden. Dabei werden Fehlertoleranz und Stabilität in verschiedenen Netzwerken behandelt. Big Quantum Data: Entwicklung von neuartigen Verfahren für die Übermittlung von großen Datenmengen an Quanteninformation über große Entfernungen, basierend auf einer Kombination von Verschränkungsreinigung und Fehlerkorrektur. Netzwerkelemente:Entwicklung der quantenmechanischenGegenstücke zu klassischen Netzwerkelementen (Hub, Switch und Router) und deren Untersuchung auf erweiterte Funktionalität undPotential,sowie derenRealisierung mit verschiedenen Systemen bzw. verschränkten Ressourcenzuständen. Anwendungen: Erforschung der verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten eines Quantennetzwerks, u.a. Sicherheitsaspekte für verschiedene klassische Protokolle, verteiltes Quantenrechnen sowie Sensornetzwerke, u.a. für Atomuhren.

Quantennetzwerke stellen die nächste Generation eines weltumspannenden Internets dar, welche durch Ausnutzung von Quanteneffekten neuartige Anwendungen versprechen. Um derartige Netzwerke zu realisieren ist es nicht ausreichend, bestehende Technologien zu erweitern - vielmehr sind neue und fundamental verschiedene Zugänge nötig. Dazu gehört die Entwicklung von neuen Protokollen ebenso wie neuartige Ansätze für das Design von Netzwerken, wobei Quanteneffekte nicht nur in bestehende Netzwerke integriert, sondern vielmehr als neuartige Designmöglichkeit genutzt werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Umgang mit Rauschen und Imperfektionen, und die Entwicklung von Methoden diese Einflüsse möglichst gering zu halten. Unsere Untersuchungen befassten sich mit unterschiedlichen Aspekten von Quantennetzwerken, deren Realisierung und möglichen Anwendungen, wodurch der Weg für deren praktische Realisierung geebnet wird. Die wichtigsten Resultate unserer Untersuchungen sind wie folgt: Netzwerkprotokolle Wir haben eine Reihe von neuartigen Protokollen für die Unterdrückung von Rauscheffekten, sowie den Nachweis von Verschränkung entwickelt. Durch die simultane Verarbeitung von mehreren Quantenzuständen ergibt sich eine stark erhöhte Effizienz. Wir haben gezeigt, dass elementare Protokolle der Quantenkommunikation wie Teleportation oder der Quantenrepeater durch maschinelles Lernen (wieder)entdeckt bzw. optimiert werden können. Authentische und verschränkungsbasierte Quantennetzwerke Wir haben uns mit verschränkungsbasierten Quantennetzwerken beschäftigt und gezeigt, dass diese neue Designmöglichkeiten mit praktischen Vorteilen eröffnen. Insbesondere können dadurch Netzwerke optimiert und an die jeweilige Nutzung angepasst werden. Durch die Einführung eines Stack Modells ergibt sich ein klarer, strukturierter Zugang zu den einzelnen Aspekten einen Quantennetzwerkes. Wir haben die authentische Quantennetzwerke eingeführt, die es ermöglichen auch klassische Operationen wie Adressierung oder das Versenden von Nachrichten in quantenmechanischer Überlagerung durchzuführen. Dadurch ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten, sowie eine reduzierte Anfälligkeit gegenüber Rauschen. Anwendungen von Quantennetzwerken: Quantenmetrologie & sichere Kommunikation Wir haben Quantensensornetzwerke als eine mögliche Anwendung von Quantennetzwerken untersucht und neue Methoden zum Umgang mit räumlich korreliertem Rauschen entwickelt. Dadurch können quantenmechanische Vorteile für Hochpräzessionsmessungen trotz Rauschens aufrechterhalten werden. Darüber hinaus haben wir Methoden zur sicheren Erzeugung von Verschränkung vorgestellt.