Das Quanteninternet: neue Möglichkeiten der Kommunikation

Lisa Jane Klotz

Flavio Del Santo

Quanteninformationstheorie untersucht die Möglichkeiten mit Quantensystemen Information zu verarbeiten. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik, wie beispielsweise Superposition und Verschränkung, erlauben neue Wege der Informationsverarbeitung, die in klassischen Theorien nicht denkbar wären. In den letzten Jahren wurden diese besonderen Quanteneffekte dazu genutzt, um außergewöhnliche Resultate, wie zum Beispiel Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, zu erreichen. Das Feld der Quantenkommunikation erforscht die Prinzipien der Quantenmechanik, um bestimmte Aufgaben und Protokolle zu realisieren, die mit klassischen Ressourcen unmöglich wären. Im Allgemeinen ist Kommunikation der Prozess bei dem eine Nachricht von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt wird. Solch ein Vorgang benötigt die Kodierung der zu sendenden Information auf einem Signalträger (elektromagnetische Wellen, Spannung, mechanische Wellen, etc.), der den Gesetzen der Physik gehorcht. Aus dieser Perspektive ermöglicht die Quantenmechanik mit ihren der Intuition widersprechenden Prinzipien einen völlig neuen Rahmen für Kommunikationstheorie und Informationsverarbeitung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell der Kommunikation mit beschränkten Ressourcen (gemessen an der Anzahl an Informationsträgern) und endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Wir zeigen, dass Kommunikation, welche die obigen Restriktionen erfüllt, für klassische Systeme grundlegenden Schranken gehorcht. Im Gegensatz dazu können diese klassischen Barrieren durch Quanteneffekte überwunden werden. Tatsächlich kann Quantenkommunikation mit nur einem Teilchen in räumlicher Superposition und mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu „Mehrwegkommunikation“ führen, was mit rein klassischen Ressourcen unmöglich wäre. Im Kontext von Mehrspieler Kommunikationsspielen zeigen wir einerseits, dass für klassische Theorien die Gewinnwahrscheinlichkeit immer unter Eins liegt und mit der Anzahl der Spieler monoton sinkt. Andererseits erlaubt Kommunikation mittels eines Quantenteilchens in Superposition verschiedener Aufenthaltsorte das Spiel unabhängig von der Anzahl der Spieler immer mit Sicherheit zu gewinnen. Dieses Protokoll wird explizit für zwei, drei und fünf Parteien charakterisiert und danach für eine beliebige Anzahl an Spielern verallgemeinert. Des Weiteren schlagen wir eine mögliche experimentelle Implementation mit einzelnen Photonen für ein Spiel mit drei Parteien vor.

Günther Ludwig

Ähnlich wie bei den Hauptsätzen der Thermodynamik werden heuristische Gesichtspunkte diskutiert, die zur Aufstellung von allgemeinen Hauptsätzen über die Wirkung von Mikroobjekten auf makroskopische (d. h. dem thermodynamischen Gesetz der Entropiezunahme genügenden) Systeme führen. Das Ziel ist, durch solche allgemeinen „Hauptsätze des Messens“ die Struktur des HILBERT-Raumes der Quantenmechanik zu charakterisieren. Die hier angegebenen Hauptsätze (Axiome 1 bis 3) führen zwar zu mathematischen Strukturen, die sehr viel von den Strukturen des HILBERT-Raumes enthalten, aber noch allgemeiner als der HILBERT-Raum sein können. Vielleicht enthalten sie neue interessante Möglichkeiten für neue physikalische Theorien.

Lisa Jane Klotz

Abstract In einem Quantengas aus Rubidiumatomen haben Physiker des Max‐Planck‐Instituts für Quantenoptik und der Ludwig‐Maximilians‐Universität München zielgenau einzelne Spins manipuliert. Das Experiment schafft eine Voraussetzung, um mit Atomen Information zu verarbeiten. Darüber hinaus eröffnet es neue Möglichkeiten, um Quantenprozesse wie das Tunneln zu untersuchen.

Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe +4 more