Quantenkorrelationen und Komplexität der Kommunikation

Im Gegensatz zur klassischen Physik weicht die Quantenmechanik von unserem intuitiven Verständnis der Natur ab. Quantensysteme können verschränkt sein, sodass sie sogar korreliert bleiben, wenn sie selbst viele Kilometer voneinander entfernt sind. Diese Eigenschaft wird als "Quanten Nicht-Lokalität" bezeichnet und wird durch die Bell Ungleichungen quantifiziert. Obwohl die Quanten Nicht-Lokalität es nicht erlaubt, Informationen schneller als das Licht zu übertragen, öffnet sie trotzdem weitreichende Möglichkeiten: Klassische Kommunikation kann reduziert werden wenn weit entfernte Beteiligte zusammen eine Aufgabe zu lösen haben, die sie nicht individuell lösen können. Heutzutage wird die Quanten-Nichtlokalität deshalb auch als ein wertvoller Rohstoff für Kommunikationsaufgaben angesehen, ähnlich wie die Energie. Sie kann die "Komplexität der Kommunikation" stark reduzieren und ein Fortschritt auf diesem Gebiet würde Bemühungen zur verbesserten Computeroptimierung und zur Mikrochiptechnologie bedeutend beeinflussen. In dem eingereichten Projektvorhaben sollen die Potentiale und der Rahmen der Quanten Nicht-Lokalität als Rohstoff zur Reduzierung der Komplexität der Kommunikation untersucht werden. Es sollen theoretische Untersuchungen zu Quantenkorrelationen mit denen zur Informationstheorie kombiniert werden, um praxisbezogene Kommunikationsprotokolle mit signifikanten (sogar möglicherweise exponentiellen) Vorteilen gegenüber klassischen Protokollen aufgrund von Quanteneffekten zu entwickeln. Im Forschungsvorhaben werden auch neue Möglichkeiten der Quanten Nichtlokalität erforscht, um die noch ausstehende experimentelle Verifikation der Quanten-Komplexität der Kommunikation aufgrund Quanten Verschränkung zu ermöglichen. Das Resultat der Forschung soll die Forschungsrichtung der Quanten-Komplexität der Kommunikation, analog zur Quantenkryptographie, zur kommerziellen Nutzung für die Quanteninformationstechnologie führen. Zusätzlich werden neue Perspektiven zur Grundlagen der Quantenmechanik erarbeitet.

Eines der historisch am tiefsten verankerten in der Wissenschaft und des Alltags ist die Kausalität: die Idee, dass Ereignisse in der Gegenwart ursächlich auf Ereignisse in der Vergangenheit zurückzuführen sind und wiederum als Ursachen für zukünftige Ereignisse dienen. Es scheint natürlich, dass wenn ein Ereignis A die Ursache für eine Wirkung B ist, dann kann B nicht die Ursache von A sein. Gemäß den Regeln der Quantenmechanik können Objekte jedoch ihre gut definierten klassischen Eigenschaften verlieren, zum Beispiel, wenn es nicht möglich ist, zu sagen, ob ein Teilchen sich an einem oder an einem anderen Ort befindet. Wenn die Quantenmechanik alle Phänomene regelt, könnte man vermuten, dass die Reihenfolge der Ereignisse so unbestimmbar ist wie die Position eines solchen Teilchens. Unserem Team gelang es, einen konzeptuellen quantenphysikalischen Rahmen zu entwickeln, der keinen festgelegten kausalen Hintergrund benötigt und Korrelationen ermöglicht, wo Ereignisse weder durch eine kausale Reihenfolge noch durch eine probabilistische Mischung kausaler Reihenfolgen geordnet sind. Das heißt, es ist nicht möglich, festzustellen, ob Ereignis A vor oder nach Ereignis B geschieht. Wir haben, sowohl theoretisch als auch experimentell, gezeigt, dass Quantenbauteile, die solch zugrundeliegende unbestimmte kausale Strukturen nutzen, bestimmte Probleme mit größerer Effizienz lösen können als jeder Quantencomputer mit einer festgelegten Reihenfolge der Gates.