Informationstheoretische Grundlagen der Quanteninterferenz

Das Gebiet der Quanteninformation beschäftigt sich mit der Frage, wie die Quantenmechanik die klassische Physik bei der Lösung von Informationsverarbeitungsaufgaben übertreffen kann, beispielsweise in den Bereichen der Kryptographie, Kommunikation, Metrologie und der Informatik. Der Vorteil von Quantenmechanik bei der Bewältigung dieser Aufgaben beruht auf zwei verblüffenden Eigenschaften: Quantenverschränkung und Quanteninterferenz. Obwohl die Quantenverschränkung weithin als entscheidend für den Vorteil der Quantenmechanik angesehen wird, ist dessen Leistungsfähigkeit bis hin zur berühmten bellschen Ungleichung (Bells Theorem) nicht ausreichend verstanden. Die bellsche Ungleichung hat über ihre grundlegende Bedeutung hinaus in bemerkenswerter Weise neue Wege zur Manipulation von Informationen eröffnet, die ausschließlich auf den Korrelationen zwischen Ein- und Ausgängen von ansonsten nicht charakterisierten Geräten oder Black Boxes basieren. Diese Art der Informationsverarbeitung wird deshalb als device-independent bezeichnet. In den letzten Jahren hat dieser Ansatz zu verblüffenden Anwendungen in der Kryptographie, der Kommunikation und der Zufallsgenerierung geführt. Obwohl das Phänomen der Quanteninterferenz als Kernbestandteil der Quantenmechanik hervorgehoben wird, wurde es bisher hauptsächlich im Rahmen von Grundlagenstudien erforscht, wobei seine potenziellen Anwendungen kaum im Mittelpunkt standen. Das Hauptziel unseres Projekts ist es nun diese Lücke zu schließen. Wir planen die Entwicklung eines theoretischen Rahmens, der es uns ermöglicht neue Wege zu erforschen, wie die Quanteninterferenz in der Informationsverarbeitung genutzt werden kann. In Anlehnung an die bellsche Ungleichung, welche uns ein besseres Verständnis der Quantenverschränkung ermöglicht hat, werden wir eine für Interferenzphänomene geeignete "Black-Box"-Formulierung entwickeln. Diese wird nicht nur neue Erkenntnisse über die Unterschiede zwischen der klassischen und der Quantentheorie liefern, sondern auch zur Entwicklung neuer Protokolle führen, die vollständig auf Quanteninterferenz beruhen und voraussichtlich in der Kryptographie und Kommunikation Anwendung finden werden.