Vielteilchenverschränkung und Sicherheit

Vielteilchenverschränkung und Sicherheit- Verschränkung ist eines der kontraintuitivsten Phänomene der Quantenphysik und wird schon langet von Philosophen und Wissenschaftlern untersucht. Neben der fundamentalen Infragestellung eines lokal-realistischen Weltbildes, spielt Verschränkung eine Schlüsselrolle in heutigen Quantentechnologien. Angefangen bei unabhörbar sicherer Quantenkommunikation bis hin zu zukunftsträchtigen Quantencomputern, gibt Verschränkung einen revolutionärenQuantenvorteil für vielfältige Anwendungen. Verschränkung bildet das Rückgrat dieser Technologien und wurde in den letzten Jahren durch eine Vielzahl von Experimenten auch für der Vielteilchensystemen nachgewiesen. Die Fähigkeit nachzuweisen dass der produzierte Zustand tatsächlich verschränkt ist bildet einen wichtigen Bestandteil solcher Experimente. Dieser Nachweis ist nicht nur von einem fundamentalen Standpunkt aus wichtig, sondern kann auch Sicherheit von Kommunikation zertifizieren. Dieser Verschränkungsnachweis ist extrem schwierig zu erbringen sobald viele Teilchen mit mehreren Freiheitsgraden involviert sind. Derartige Vielteilchenzustände sind erst kürzlich experimentell erzeugt worden und besitzen ein immenses Potential Quantenkommunikationsprotokolle zu verbessern. Das erste Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einfach anwendbarer theoretischer Werkzeuge um die Präsenz von Verschränkung in hoch-dimensionalen Vielteilchensystemen nachzuweisen. Um dies zu erreichen konzentrieren wir uns zunächst auf Zertifizierungsmethoden die mit unvollständiger Information einen solchen Nachweis erbringen können. Die Verwendung von hoch-dimensionalen Zuständen in Quantennetzwerkenhat das Potential Kommunikationsprotokolle mit rekordhohen Informationskapazitäten bei gleichzeitiger vollständiger Sicherheit zu ermöglichen. Das zweite Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von neuen kryptographischen Protokollen, die auf die spezifischen Eigenschaften von hochdimensionalen Vielteilchensystemen als Informationsträgereingehen. Wir konzentrieren unszunächstaufein vielschichtiges Quantenschlüsselverteilungsprotokoll das in mehreren Schichten die Verteilung von Schlüssel auf unterschiedliche Gruppen in einer asymmetrischen aber sicheren Weise ermöglicht. Des Weiteren gehen wir darüber hinaus und untersuchen auch Protokolle in denen die einzelnen Messapparate nicht charakterisiert werden müssen. Dies ist auch ein besonders relevantes Szenario in Anbetracht der Wichtigkeit von Informationssicherheit in unserer heutigen Gesellschaft. Moderne Methoden zu der Erzeugung von Vielphoton verschränkten Zuständen leiden unter geringen Raten von produzierten Zuständen pro Sekunde. Das letzte Ziel unseres Projekts ist die Identifikation der fundamentalen Grenzen der gegenwärtigen Quellen von hochdimensionaler Vielteilchenverschränkung und die Entwicklung von Methoden um diese zu überschreiten. Wir planen für diese Aufgabe einzigartige Kombinationen von optischen Elementen zu finden die dies ermöglichen. Derzeit stecken diese Techniken noch in ihren Kinderschuhen wobei erst ein solcher Zustand experimentell erzeugt wurde. Daher planen wir im Zuge dieses Projekts nicht nur Nachweismethoden zu entwickeln, sondern auch die Tür zu neuen experimentellen Anordnungen und Zuständen zu öffnen mit paralleler Entwicklung von direkten Quantenkommunikationsanwendungen.

In diesem Projekt haben wir das Potential von dem Phänomen der Quantenverschränkung für die Sicherheit von Vielparteienmkommunikation ausgelotet. Verschränkung ist ein Phänomen welches erlaubt durch die Korrelation von Quantensystemen Rückschlüsse auf die Exklusivität eines geteilten Zustands zu schliessen, also zum Beispiel durch Messung an zwei oder mehr Photonen festzustellen ob noch ein weiteres System mit diesen korreliert sein könnte. Durch diese Exklusivität, also dem ausschliessen eines weiteren korrelierten Systems, ergibt sich die Möglichkeit die Messergebnisse auf diesen Systemen als Schlüssel für kryptographische Anwendungen zu verwenden. In der Zwischenzeit ist Kommunikation mit zwei sogenannten Quantenbits, also zwei Systemen die 0 und 1 kodieren können, sowie zum Beispiel die horizontale und vertikale Polarisation einzelner Photonen zum Standard geworden. In unserem Projekt wollten wir darüber hinaus gehen und hin zu Systemen, die diese Korrelation für mehr als zwei Teilchen und vor allem mit mehr physikalischen Freiheitsgraden kodieren können. Dies war außergewöhnliuch erfolgreich und hat zu einer Vielzahl unterschiedlicher Journal-Publikationen geführt, vor allem aber ein neues Protokoll, mit dem hochdimensionale Verschränkung in Mehrpartierensystemen dazu benutzt werden kann unterschiedlichen Gruppen gleichzeitig einen mehrere Schlüssel zukommen zu lassen. Im Zuge dessen haben sich viele andere Anwednungen ergeben, von besseren experimentellen Aufbauten und implementierung von hochdimensionaler zwei-und mehrteilchenverschränkung bis hin zu neuartigen Methoden für Verschränkungsnachweisen in ebendiesen Systemen.