Quantenverschränkung hat sich als eine wertvolle Ressource für viele Aufgaben der Quanteninformationstheorie etabliert. Eine zunehmende Zahl von miteinander verschränkten Systemen sowie eine größere Anzahl verfügbarer Dimensionen bewirkt in diesem Zusammenhang eine Steigerung des Leistungsvermögens und der Effizienz. Um diese Ressource erfolgreich zu nutzen, ist es zuvorderst notwendig, einen konsistenten theoretischen Formalismus zu ent-wickeln, der die verschiedenen Arten von Verschränkung korrekt beschreibt und zwischen ihnen differenziert.\nDie vorliegende Arbeit widmet sich der Klassifikation von Verschränkung in speziellen Familien hochdimensionaler Vielteilchensysteme sowie der Detektion von Verschränkung innerhalb dieser.\nDiese Dissertation stellt die Forschungsergebnisse aus drei Projekten vor. Der erste Teil handelt von der Konstruktion eines Operators, eines sogenannten Verschränkungszeugen, der es ermöglicht Verschränkung innerhalb von Vielteilchensystemen zu detektieren. Der Hauptaspekt besteht hierbei in der Entwicklung einer Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen SLOCC-Zeugen und Verschränkungszeugen innerhalb eines erweiterten Hilbertraums. Die Form dieses Zeugen ist derart, dass er mit Hilfe eines Zustandes innerhalb der zu detektierenden SLOCC-Klasse und dem maximalen Überlapp dessen mit Zuständen einer inäquivalenten SLOCC-Klasse konstruiert werden kann.\nDas zweite Projekt basiert auf der Erweiterung einer speziellen Familie von Vielteilchenzuständen, den Qubit-Hypergraphzuständen. Sie werden auf beliebige Dimensionen verallgemeinert und als Qudit-Hypergraphen definiert. Diese Zustände werden hinsichtlich SLOCC- und LU-Äquivalenzklassen untersucht und Methoden entwickelt um zwischen diesen zu unterscheiden. Interessanterweise konnte hier eine enge Verbindung zum Feld der Zahlentheorie festgestellt werden. Für tripartite Systeme in den Dimensionen drei und vier wird eine vollständige Klassifizierung unter SLOCC und LU angegeben. In den folgenden Abschnitten werden Regeln für die lokale Komplementation für Graphenzustände in nicht notwendigerweise Primzahl-Dimensionen entwickelt. Den Abschluss dieses Themas bildet eine Erweiterung der Qudit Hypergraphenzustände hin zu sogenannten gewichteten Hypergraphzuständen. Für spezielle Fälle davon werden SLOCC- und LU-Äquivalenzklassen determiniert. \nDer dritte und letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, auf welche Art Mehr-levelverschränkung sinnvoll definiert werden kann. Die Motivation dazu resultiert aus der Tatsache, dass es Zustände gibt, die als maximal verschränkt hinsichtlich ihrer Dimension gelten, aber trotzdem durch Systeme niedrigerer Dimension generiert werden können. Basierend darauf werden drei inäquivalente Klassen von Mehrlevelverschränkung definiert: 1) Zerlegbare Zustände (DEC), deren Korrelationen vollständig durch niedriger-dimensionale Systeme reproduziert werden können, 2) Echt mehrlevel-, mehrteilchenverschränkte Zustände (GMME), für deren Produktion man Kontrolle über Systeme der entsprechenden Dimension haben muss, 3) Mehrlevel-, mehrteilchenverschränkte Zustände (MME), die zerlegbar bezüglich einer bestimmten Bipartition sind.\nNach den grundlegenden Definitionen werden Beispiele für jede der drei Klassen diskutiert und Methoden entwickelt, die zwischen den Klassen unterscheiden können. Im bipartiten Fall, sowie für die Unterscheidung zwischen GMME und MME, kann die Frage der Klassenzugehörigkeit analytisch beantwortet werden. Die Differenzierung hinsichtlich MME und DEC basiert weitgehend auf numerischen Methoden, wobei auch ein analytisches Kriterium existiert, das notwendig, aber nicht hinreichend ist.
Quantenverschränkung hat sich als eine wertvolle Ressource für viele Aufgaben der Quanteninformationstheorie etabliert. Eine zunehmende Zahl von miteinander verschränkten Systemen sowie eine größere Anzahl verfügbarer Dimensionen bewirkt in diesem Zusammenhang eine Steigerung des Leistungsvermögens und der Effizienz. Um diese Ressource erfolgreich zu nutzen, ist es zuvorderst notwendig, einen konsistenten theoretischen Formalismus zu ent-wickeln, der die verschiedenen Arten von Verschränkung korrekt beschreibt und zwischen ihnen differenziert.\nDie vorliegende Arbeit widmet sich der Klassifikation von Verschränkung in speziellen Familien hochdimensionaler Vielteilchensysteme sowie der Detektion von Verschränkung innerhalb dieser.\nDiese Dissertation stellt die Forschungsergebnisse aus drei Projekten vor. Der erste Teil handelt von der Konstruktion eines Operators, eines sogenannten Verschränkungszeugen, der es ermöglicht Verschränkung innerhalb von Vielteilchensystemen zu detektieren. Der Hauptaspekt besteht hierbei in der Entwicklung einer Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen SLOCC-Zeugen und Verschränkungszeugen innerhalb eines erweiterten Hilbertraums. Die Form dieses Zeugen ist derart, dass er mit Hilfe eines Zustandes innerhalb der zu detektierenden SLOCC-Klasse und dem maximalen Überlapp dessen mit Zuständen einer inäquivalenten SLOCC-Klasse konstruiert werden kann.\nDas zweite Projekt basiert auf der Erweiterung einer speziellen Familie von Vielteilchenzuständen, den Qubit-Hypergraphzuständen. Sie werden auf beliebige Dimensionen verallgemeinert und als Qudit-Hypergraphen definiert. Diese Zustände werden hinsichtlich SLOCC- und LU-Äquivalenzklassen untersucht und Methoden entwickelt um zwischen diesen zu unterscheiden. Interessanterweise konnte hier eine enge Verbindung zum Feld der Zahlentheorie festgestellt werden. Für tripartite Systeme in den Dimensionen drei und vier wird eine vollständige Klassifizierung unter SLOCC und LU angegeben. In den folgenden Abschnitten werden Regeln für die lokale Komplementation für Graphenzustände in nicht notwendigerweise Primzahl-Dimensionen entwickelt. Den Abschluss dieses Themas bildet eine Erweiterung der Qudit Hypergraphenzustände hin zu sogenannten gewichteten Hypergraphzuständen. Für spezielle Fälle davon werden SLOCC- und LU-Äquivalenzklassen determiniert. \nDer dritte und letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, auf welche Art Mehr-levelverschränkung sinnvoll definiert werden kann. Die Motivation dazu resultiert aus der Tatsache, dass es Zustände gibt, die als maximal verschränkt hinsichtlich ihrer Dimension gelten, aber trotzdem durch Systeme niedrigerer Dimension generiert werden können. Basierend darauf werden drei inäquivalente Klassen von Mehrlevelverschränkung definiert: 1) Zerlegbare Zustände (DEC), deren Korrelationen vollständig durch niedriger-dimensionale Systeme reproduziert werden können, 2) Echt mehrlevel-, mehrteilchenverschränkte Zustände (GMME), für deren Produktion man Kontrolle über Systeme der entsprechenden Dimension haben muss, 3) Mehrlevel-, mehrteilchenverschränkte Zustände (MME), die zerlegbar bezüglich einer bestimmten Bipartition sind.\nNach den grundlegenden Definitionen werden Beispiele für jede der drei Klassen diskutiert und Methoden entwickelt, die zwischen den Klassen unterscheiden können. Im bipartiten Fall, sowie für die Unterscheidung zwischen GMME und MME, kann die Frage der Klassenzugehörigkeit analytisch beantwortet werden. Die Differenzierung hinsichtlich MME und DEC basiert weitgehend auf numerischen Methoden, wobei auch ein analytisches Kriterium existiert, das notwendig, aber nicht hinreichend ist.
Verschränkung ist eine der wichtigsten Besonderheiten der Quantentheorie, welche kein klassisches Analogon besitzt. Aufgrund dieser ist es nicht länger angemessen zusammengesetzte Systeme lediglich als eine Kombination von unabhängig voneinander beschreibbaren Subsystemen zu betrachten. Anstatt dessen gibt es Quantenzustände die inseparabel bezüglich der einzelnen Bestandteile des Systems sind. Wohingegen Verschränkung zunächst als eine Art künstlicher Fehler der Theorie angesehen wurde, hat sich deren Existenz mittlerweile durch zahlreiche Experimente bestätigt. Diese Gegebenheit hat weitreichende Konsequenzen. Auf einer fundamentalen Ebene lässt sich hiermit zeigen, daß es keine lokal-realistische Alternative zur Quantentheorie gibt. Zusätzlich stellt Verschränkung eine Ressource für neue Technologien der Informationsverarbeitung dar, wie z.B. Quantenkryptographie, Dense Coding, Quantenteleportation oder der Quantencomputer. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten gibt es noch viele offene Fragen bezüglich Verschränkung und deren Manifestationen. Dies gilt insbesondere für Verschränkung in komplexen Vielteilchensystemen. Gegenstand dieser Dissertation ist es Verschränkung und nicht-lokal-realitsche Korrelationen in zusammengesetzten endlich-dimensionalen Quantensystemen (Multipartite Qudits) zu untersuchen und zu verstehen. Um die Analyse solcher Systeme zu erleichtern, werden neue mathematische Hilfsmittel, wie zum Beispiel praktische Parameterisierungen von unitären Gruppen, Dichtematrizen und Unterräumen vorgestellt. Die Struktur von Verschränkung in Vielteilchensystemen wird betrachtet, und eine exakte Charakterisierung von Multilevel-Vielteilchenverschränkung wird eingeführt. Es werden Methoden zur Verschränkungsdetektion angegeben, und deren experimentelle Implementierung diskutiert. Ein weiteres Thema ist die Quantifizierung von Verschränkung. In diesem Zusammenhang wird ein nützliches Maß für Vielteilchenverschränkung vorgestellt. Darüber hinaus wird auch die Klassifizierung von Vielteilchenverschränkung thematisiert, und ein systematischer Ansatz zur Unterscheidung verschiedener Klassen angegeben. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Relationen zwischen Verschränkung und anderen fundamentalen Aspekten der Quantentheorie. Insbesondere wird eine Verbindung zwischen dem Komplementaritätsprinzip und dem Separabilitätsproblem hergestellt. Besondere Aufmerksamkeit gilt auch dem Zusammenhang zwischen Verschränkung und nicht-lokal-realitischen Korrelationen. Hier wird eine geometrische Struktur, welche diskreten zusammengesetzten Systemen zugrunde liegt, verwendet, um deren Verschiedenartigkeit veranschaulichen zu können.
Verschränkung ist eine faszinierende Eigenart der Quantenphysik, die diese beträchtlich von klassischen Konzepten unterscheidet. Einerseits impliziert Verschränkung überraschende philosophische Aspekte, wie die Unvereinbarkeit von lokal-realistischen Theorien mit der Quantenphysik, andererseits kann sie erfolgreich für Aufgaben der Quanteninformation und Quantenkommunikation verwendet werden, um Protokolle im Hinblick auf klassische Prozeduren zu verbessern. Es ist noch immer ein offenes mathematisches Problem, herauszufinden, ob ein Quantenzustand verschränkt ist oder nicht; für einen allgemeinen Zustand auf einem beliebig dimensionalen Hilbertraum gibt es keine operationelle Vorgangsweise. Für reine Zustände und niedrig dimensionale Zweiteilchen-Systeme, z.B. für zwei Qubits, ist dieses Problem gelöst, da berechenbare notwendige und hinreichende Bedingungen für Separabilität (d.h. für Nicht-Verschränktheit) gefunden wurden. Außerdem kann die Verschränkung für ein Zwei-Qubit-System leicht quantifiziert werden. Für höher dimensionale und/oder Mehrteilchen-Systeme wurde in Bezug auf die Bestimmung und Quantifizierung von Verschränkung schon einiges erreicht, allerdings kann das Problem noch nicht als gelöst angesehen werden, vieles ist noch zu erforschen. In dieser Dissertation werden neue Methoden zur Bestimmung und Quantifizierung von Verschränkung für Systeme, die über Zwei-Qubit-Systeme hinausgehen, präsentiert. Zustände solcher Systeme werden üblicherweise durch Dichteoperatoren beschrieben und in Matrix-Schreibweise verwendet. Für hochdimensionale und/oder Mehrteilchen-Systeme können diese Dichtematrizen allerdings sehr unpraktisch werden. Mit Hilfe von Bloch-Zerlegungen können Dichteoperatoren kompakter und einfacher dargestellt werden. In dieser Schreibweise werden Dichteoperatoren in eine vollständige und orthogonale Operatorenbasis des Operatorenraums zerlegt. Für Qubits ist diese Schreibweise geläufig und üblicherweise werden die Pauli-Spin-1/2 Operatoren für die Operatorenbasis verwendet. Für Qudits, das sind Zustände allgemein dimensionaler Systeme, gibt es allerdings keine eindeutige Verallgemeinerung der Pauli-Operatorenbasis. Daher untersuchen wir drei mögliche Operatorenbasen: Die verallgemeinerte Gell-Mann-Operatorenbasis, die Polarisationsoperatorenbasis, sowie die Weyloperatorenbasis. Weiters wird eine Methode präsentiert, mit welcher die Zerlegung eines beliebigen Operators in eine der drei Operatorenbasen mit Hilfe der Zerlegung von sogenannten Standardoperatoren gefunden werden kann. Als Beispiel zur Anwendung dieser Methode betrachten wir den maximal verschränkten Zwei-Qudit Zustand und zerlegen diesen in jede der Operatorenbasen. Im Zusammenhang mit der Bestimmung von Verschränkung sind „Entanglement Witnesses'“ ein wichtiges und oft verwendetes Hilfsmittel. Diese sind Observablen und detektieren die Verschränkung eines Zustandes, sofern sie für diesen einen negativen Erwartungswert aufweisen, und wenn gleichzeitig bekannt ist, dass der Erwartungswert für alle separablen Zustände nicht negativ werden kann. Diese letztere Bedingung ist allerdings im Allgemeinen nicht leicht zu zeigen. In diesem Zusammenhang bietet sich die Verwendung von Bloch-Zerlegungen für vereinfachte Relationen an, und somit kann die Bedingung in vielen Fällen bewiesen werden. Eine besondere Klasse von Entanglement Witnesses sind geometrische Entanglement Witnesses, welche eine direkte euklidisch-geometrische Darstellung des Operatorenraumes erlauben. Die Wichtigkeit dieser Witnesses wird durch „Shift“-Methoden verdeutlicht, welche verschränkte und im Speziellen „bound entangled“ Zustände detektieren können, und außerdem helfen, die Menge der separablen Zustände von konvexen Untermengen von Zuständen zu bestimmen. Als Beispiel betrachten wir eine Drei-Parameter-Familie von Zwei-Qutrit Zuständen. Weiters können geometrische Entanglement Witnesses auch zur geometrischen Quantifizierung von Verschränkung verwendet werden, insbesondere zur Bestimmung des Hilbert-Schmidt Verschränkungsmaßes. Dies wird an den Beispielen der isotropen Zwei-Qudit Zustände und Zwei-Parameter Familien von Zwei-Qubit und Zwei-Qutrit Zuständen gezeigt. Zuletzt widmen wir uns dem Problem der Bestimmung von Verschränkung in Mehr-Qubit Systemen. In diesem Zusammenhang bieten wir eine allgemeine Konstruktion von Entanglement Witnesses unter Verwendung von statischen Strukturfaktoren an. In der Festkörperphysik beschreiben Strukturfaktoren dynamische Eigenschaften von Festkörpern in Streuexperimenten. Die strukturellen Entanglement Witnesses detektieren echte Mehrteilchen-Verschränkung, wie z.B. Dicke-Zustände und Dicke-ähnliche Zustände mit geänderten Phasen der vorkommenden Terme. Sie beinhalten außerdem nur Zwei-Punkt-Korrelationen und sind für die experimentelle Anwendung in verschieden physikalischen Systemen geeignet.
Quantenverschränkung, eine starke Form von Korrelation, die sich nicht klassisch erklären lässt, steht im Zentrum der Quanteninformationswissenschaft und bildet die Grundlage für aufkommende Technologien wie Quanten-Computing, Quantenkommunikation und Quantensensorik. Während bipartite Verschränkung inzwischen vergleichsweise gut verstanden ist, sind sowohl multipartite als auch hochdimensionale Verschränkung bislang deutlich weniger erforscht, sowohl hinsichtlich ihrer strukturellen Charakterisierung als auch ihrer experimentellen Zertifizierung. Daraus ergeben sich zwei zentrale Fragestellungen:1. Wie lassen sich diese komplexen Formen der Verschränkung systematisch verstehen und klassifizieren? 2. Wie können sie in realistischen Quantensystemen unter Rauschen und eingeschränkten Messmöglichkeiten zuverlässig nachgewiesen werden? Diese Dissertation behandelt diese Fragen durch die Entwicklung theoretischer sowie praktisch umsetzbarer Methoden zur Charakterisierung und Zertifizierung von Verschränkung in multipartiten und hochdimensionalen Quantensystemen. Der erste Teil (Kapitel 3) der Arbeit untersucht die Struktur multipartiter Verschränkung im Kontext von deren Manipulation mittels lokaler Operationen und klassischer Kommunikation (local operations and classical communication, LOCC). Letztere stellen die freien Operationen in der Ressourcentheorie der Verschränkung dar (d. h. sie erzeugen keine Verschränkung). Es ist bekannt, dass generische vollständig verschränkte multipartite Zustände isoliert sind, das heißt, dass sie weder aus einem anderen nicht äquivalenten verschränkten Zustand mittels LOCC erzeugt noch in einen solchen überführt werden können. Dies wirft die grundlegende Frage auf, ob nicht-isolierte Zustandsfamilien existieren und wie diese charakterisiert werden können. Wir identifizieren und untersuchen systematisch solche Familien innerhalb der Klassifikation multipartiter Zustände in stochastische LOCC- (SLOCC-)Klassen. Über die bekannten Beispiele der GHZ- und W-Klassen hinaus zeigen wir, dass auch die SLOCC-Klasse des dreidimensionalen total antisymmetrischen Zustands nicht isoliert ist, in dem Sinne, dass alle Zustände innerhalb dieser Klasse mittels einfacher LOCC-Protokolle mit nur einer Runde klassischer Kommunikation in nicht äquivalente Zustände überführt werden können. Im Gegensatz dazu beweisen wir, dass große Klassen multipartiter Zustände – abhängig von der mathematischen Struktur ihrer Stabilisatoren – Formen schwacher Isolation aufweisen, die sowohl die Erreichbarkeit durch LOCC mit endlich vielen Runden als auch Transformationen mit nur einer Runde ausschließen. Diese Ergebnisse liefern starke Hinweise darauf, dass nicht isolierte SLOCC-Klassen selten sind, und offenbaren eine deutlich reichhaltigere und differenziertere Struktur multipartiter Verschränkungstransformationen als bislang angenommen. Zugleich vertiefen sie das Verständnis der operationalen Struktur von Verschränkung jenseits des bipartiten Falls.Der zweite Teil (Kapitel 4) der Dissertation widmet sich der Zertifizierung hochdimensionaler (HD) bipartiter Verschränkung. Wir entwickeln einen vielseitigen Rahmen zum Nachweis hochdimensionaler Verschränkung – insbesondere der Schmidt-Zahl – auf Grundlage von Korrelationen in komplementären Messbasen. Während solche Zertifizierungsverfahren traditionell auf zueinander unverzerrten Basen (mutually unbiased bases, MUBs) beruhen, deren exakte Implementierung experimentell anspruchsvoll oder auf manchen Plattformen garnicht realisierbar ist, verallgemeinern wir diesen Ansatz auf Korrelationen in beliebigen lokalen Basen. Dies ermöglicht den Nachweis und die Quantifizierung hochdimensionaler Verschränkung in realistischen experimentellen Szenarien bei gleichzeitiger Robustheit gegenüber Rauschen und Fehljustierung. Darüber hinaus führen wir eine einfache Konstruktion von drei MUBs ein, die in beliebigen Dimensionen anwendbar ist und nicht auf der Standardkonstruktion nach Wootters–Fields basiert, wodurch die praktische Umsetzung in hochdimensionalen Systemen weiter erleichtert wird. Insgesamt liefern diese Ergebnisse experimentell zugängliche Kriterien, die auf eine Vielzahl photonischer und anderer Quantensysteme angewendet werden können.Der dritte Teil (Kapitel 5) der Dissertation behandelt den Nachweis genuiner multipartiter Verschränkung (genuine multipartite entanglement, GME) und von k-Inseparabilität in Mehr-Qubit-Systemen mit eingeschränkten Messmöglichkeiten. Dieses Problem ist insbesondere für aktuelle Quantenplattformen relevant, etwa photonische Systeme mit in Zeitintervallen kodierter Quanteninformation oder supraleitende Bauelemente, die Mikrowellenphotonen emittieren, bei denen gemeinsame Messungen an vielen Qubits entweder experimentell schwierig oder zunehmend verrauscht sind und daher eine vollständige Zustandstomographie ausschließen. Zur Überwindung dieser Einschränkungen entwickeln wir vielseitige Verschränkungskriterien, die auf beliebige Quantenzustände anwendbar sind und lediglich eine begrenzte Menge lokaler Observablen erfordern. Insbesondere müssen für n-Qubit-Zielzustände in Form von Graphenzuständen nur O(n2) Stabilisatoroperatoren aus einer exponentiell großen Menge möglicher Messungen bestimmt werden, wobei die Lokalität dieser Operatoren durch das Doppelte des maximalen Knotengrads des zugrunde liegenden Graphen beschränkt ist. Für prominente Familien wie Cluster- und Ringgraphenzustände reduziert sich dies auf Stabilisatoren konstanter Gewichtung, was die experimentelle Umsetzung erheblich vereinfacht. Durch die Kombination dieser Konstruktionen mit semidefiniten Optimierungsmethoden (und gegebenenfalls graphlokalen Komplementationen) lässt sich der Messaufwand weiter reduzieren und die praktische Anwendbarkeit verbessern. Wir zeigen analytisch und numerisch, dass die resultierenden Kriterien robust gegenüber realistischem Rauschen sind und sogar zur Abschätzung von Schranken für die Zustandsgüte aus zertifizierter k-Inseparabilität verwendet werden können. Damit stellen sie skalierbare und experimentell realisierbare Werkzeuge zur Verifikation von Verschränkung in aktuellen und zukünftigen Quantensystemen bereit.Insgesamt etablieren die Ergebnisse dieser Dissertation eine einheitliche Perspektive auf Verschränkung, die deren strukturelle Charakterisierung mit praktisch zugänglichen Zertifizierungsmethoden verbindet. Durch die Verknüpfung fundamentaler Eigenschaften multipartiter Verschränkung unter dem Einfluss von LOCC mit experimentell realisierbaren Nachweisstrategien in hochdimensionalen und Vielteilchensystemen bildet diese Arbeit ein Verbindungsglied zwischen abstrakter Theorie und realistischen Quantentechnologien. Diese Fortschritte tragen zur Entwicklung skalierbarer und zuverlässiger Methoden für das Verständnis und die Verifikation von Verschränkung in zunehmend komplexen Quantenplattformen bei.
Die Quanteninformationstheorie hat sich traditionell auf Zweiniveausysteme (Qubits) konzentriert, obwohl zahlreiche experimentelle Plattformen – darunter photonische Modi, gefangene Ionen und supraleitende Schaltkreise – von Natur aus höherdimensionale Qudits realisieren. Diese Arbeit entwickelt drei komplementäre Ansätze zu einer dimensionsbewussten Erweiterung der Quanteninformationstheorie, die den operativen Kern bewahrt und zugleich die strukturelle Komplexität von Systemen mit höherer lokaler Dimension berücksichtigt. Im ersten Teil werden dimensionsabhängige Quasi-Monogamie-Relationen für Korrelationsmaße in der Bloch Darstellung hergeleitet. Parallel dazu werden neue Tsallis-2-Entropie-Ungleichungen mit explizit dimensionsabhängingen Parametern formuliert, darunter eine verallgemeinerte Form der strikten Subadditivität. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie sich Geometrie und Entropie quantenmechanischer Korrelationen mit wachsender Dimension verändern, und bieten eine Verallgemeinerung qubitspezifischer Relationen wie der Coffman–Kundu–Wootters-Ungleichung. Der zweite Teil führt Finite-Function-Encoding (FFE)-Zustände ein, welche die phasenkodierte logische Struktur von Qubit-Hypergraph-Zuständen auf beliebige d-stufige Systeme verallgemeinern. Innerhalb dieses Rahmens wird die polynomiale Unterklasse über Tensor-Kanten-Hypergraphen beschrieben, und für allgemeine FFE-Zustände wird ein Stabilisatorformalismus entwickelt. Die Analyse der lokalen Äquivalenz unter unitären und endlichen Funktions-Pauli-Transformationen führt zu einer vollständigen Klassifikation bipartiter FFE-Zustände für lokale Dimensionen drei und vier und zeigt strukturelle Verbindungen zur Klassifikation komplexer Hadamard-Matrizen auf. Im dritten Teil wird ein zweistufiges Verfahren zur quditbasierten Schaltkreiskompression vorgestellt. In der ersten Stufe werden mehrere Qubits mittels schnittminimierender Graphpartitionierung zu Qudits zusammengefasst; in der zweiten Stufe werden eingebettete Zwei-qubit-Gatter durch native Zwei-qudit-Operationen ersetzt. Es werden obere und untere Schranken für die erreichbare Reduktion des nichtlokalen Gatteraufwands hergeleitet und Fälle identifiziert, in denen diese Schranken saturiert werden. Insgesamt entsteht so ein kohärenter Rahmen zur Übertragung qubitbasierter Paradigmen auf höherdimensionale Architekturen, der sowohl theoretische Einsichten als auch praktische Vorteile für Quantenhardware mit kohärenter Mehrniveausteuerung bietet.
Die Quantenmechanik und ihre Phänomene, wie zum Beispiel Verschränkung oder Nichtlokalität, sind bis heute nicht vollständig erschlossen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Einführung in den Begriff der Verschränkung und seine Auswirkungen zu geben. Insbesondere Kriterien zur Detektion und Maße zur Quantifizierung von Verschränkung werden vorgestellt. Desweiteren wird der Begriff der Nichtlokalität näher untersucht und eine Möglichkeit, die Bell Ungleichung, vorgestellt nichtlokale Quantenzustände zu detektieren. Ein weiterer Teil dieser Arbeit ist der Frage gewidmet, wie sich Quantenzustände unter LOCC Transformationen und global unitären Transformationen verändern. Hierfür werden mehrere Beispiele behandelt. Unter anderem GHZ-, Werner-, Gisin Zustände werden genauer beleuchtet und deren Veränderung der Verschränkung und Nichtlokalität untersucht. Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage der Visualisierung von Quantenzuständen um ein besseres Verständnis für deren Verhalten zu erlangen. Explizit werden reine zwei qubit Systeme untersucht. Die Verknüpfung solcher Zustände mit dem komplex projektiven Raum ermöglicht eine vollständige geometrische Darstellung. Im Fall von gemischten Zuständen ist die Dimensionszahl zu hoch um eine vernünftige Darstellung aller Zustände zu ermöglichen. Allerdings zeigt sich, dass eine Superposition von Bell Zuständen nur drei Freiheitsgrade besitzt und dadurch darstellbar ist. Doch auch Zustände mit mehr als drei Freiheitsgraden können, durch eine in dieser Arbeit vorgestellte Methode, visualisiert werden, indem der Bereich der physikalischen Zustände innerhalb der darstellung angepasst wird.
Verschränkung ist eine zentrale Ressource der Quanteninformationswissenschaft, deren Struktur und operative Rolle jedoch nur teilweise verstanden sind. Zwei offene Probleme verdeutlichen diese Lücken: das Separabilitätsproblem, das fragt, ob ein gegebener Zustand separabel oder verschränkt ist, und das Destillierbarkeitsproblem, das untersucht, ob mehrere Kopien eines Zustands mittels lokaler Operationen und klassischer Kommunikation (LOCC) in maximal verschränkte Zustände transformiert werden können. Gebundene verschränkte Zustände, die zwar verschränkt, aber nicht destillierbar sind und nicht zuverlässig von separablen oder destillierbaren Zuständen unterschieden werden können, liegen an der Schnittstelle beider Herausforderungen. Diese Dissertation untersucht die Verschränkungsstruktur bipartiter Bell‑diagonaler Systeme, d.h. Mischungen maximal verschränkter Zustände, und deren Zusammenhang mit Destillierbarkeit und gebundener Verschränkung. Unter Ausnutzung spezieller Eigenschaften Bell‑diagonaler Systeme entwickeln wir ein numerisches Ökosystem zur Datenerzeugung und Verschränkungsanalyse, das Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gewährleistet. Durch die Detektion eines bedeutenden Anteils gebundener verschränkter Zustände klassifizieren wir den Großteil der niedrigdimensionalen Bell-diagonalen Zustände, die mittels der Weyl–Heisenberg-Konstruktion erzeugt werden. Wir zeigen, dass die zugrunde liegende Gruppenstruktur eine entscheidende Rolle für die Verschränkungsstruktur als auch für das Vorkommen und die Nachweisbarkeit von gebundener Verschränkung in solchen Systemen spielt. Diese strukturellen Erkenntnisse werden genutzt, um optimierte stabilisatorbasierte Protokolle zur Verschränkungsdestillation zu entwickeln und präsentieren das FIMAX‑Protokoll, das sich durch eine hohe Effizienz und Robustheit gegenüber Rauschen auszeichnet, selbst für nicht‑Bell‑diagonale Zustände. Abschließend legen wir den Grundstein zur Erweiterung der Stabilisatormethoden auf andere Destillationsaufgaben, wie zum Beispiel die Destillation eines kryptografischen Schlüssels. Das Etablieren lokaler Invarianz unter isometrischen Transformationen relevanter Informationsmaße sowie die Entwicklung eines Algorithmus zur Berechnung dieser, erlauben den Einsatz stabilisatorbasierter Methoden zur Destillation von Zuständen, die für die jeweiligen operationellen Aufgaben optimiert sind. Die Ergebnisse etablieren Bell‑diagonale Systeme als geeignete Plattform zur Untersuchung der gebundenen Verschränkung und Destillierbarkeit sowie zur Entwicklung wirksamer Destillationsprotokolle. Sie heben die Gruppenstruktur als ein nutzbares Prinzip hervor, das die Klassifikation und Destillation von Bell‑diagonalen Zuständen miteinander verbindet. Während sie vielversprechende Richtungen für zukünftige Untersuchungen aufzeigt, erweitert diese Arbeit sowohl das theoretische Verständnis als auch die operationelle Anwendung von Verschränkung in der Quanteninformationswissenschaft.