Quantum information and communications with high-dimensional encodings (QuICHE)

Motivation

Während 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 Überlagerung von beiden. Dadurch kann in Quantenanwendungen Rechenzeit gespart und eine höhere Rechenkapazität als bei klassischen Computern erreicht werden. Werden Lichtteilchen – sogenannte Photonen – als Informationsträger 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 zusätzliche, 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 Informationsträger sollen Quanteninformationen mit höherer Dimensionalität (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.

Objective

Das Ziel des Projekts ist die systematische Untersuchung und Nutzbarmachung des Potenzials praktischer, höherdimensionaler Kodierung. Dabei kommen sogenannte Qudits (quantum dgits) zum Einsatz, welche die Werte 0, 1, 2, 3, … und deren Überlagerungen annehmen können. Diese versprechen neuartige, effiziente Quanteninformationsprotokolle wie z. B. für absolut abhörsichere Quantenschlüsselverteilung oder Zufallszahlenerzeugung in großen Netzwerken, sofern sie mit Glasfasernetzwerken kompatibel sind. In solchen Netzwerken wird die Resistenz gegen Störeinflüsse ein entscheidender Parameter sein. Auch in diesem Zusammenhang soll der mögliche Nutzen höherdimensionaler 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

Die Ergebnisse des Projekts sollen neue, praktische Ansätze für hochdimensionale Quantenschlüsselverteilung liefern. Die Verwendung eines größeren, glasfaserkompatiblen Alphabets zur Informationskodierung kann es in Zukunft ermöglichen, quantengesicherte Kommunikation zwischen mehreren Partnern in einer Art Quantenkonferenzschaltung zu gewährleisten. Damit leistet das Projekt QuICHE einen Beitrag, um Quantengeräte in Zukunft so vernetzen zu können, wie es im heutigen Internet mit klassischen Computern möglich ist.