Theoretische Modellierung & Simulation kompletter Quantenrepeater-Systeme und experimentelle Demonstration spezieller Quantenrepeater-Bausteine (SKQRS-DSQRB)

Abstract

Quantenkommunikation ist die "Kunst quantenmechanische Zustände zu verteilen" (Nicolas Gisin). Die Anwendungen sind vielfältig, beginnend bei bedingungslos sicherer klassischer Kommunikation basierend auf physikalischen Naturgesetzen und ultimativ endend bei der Vernetzung zukünftiger Quantencomputer. Auf globaler Ebene ist das Ziel ein sog. "Quanteninternet". Da Quantenzustände aber fragil sind und nicht-klassische Lichtzustände, insbes. einzelne photonische Quantenbits, exponentiell schnell mit der Propagationslänge in einem optischen Glasfaserkanal (wie er in der klassischen optischen Kommunikation ebenfalls benutzt wird) verloren gehen, ist die Quantenschlüsselverteilung oder allgemein die Quantenkommunikation bisher noch auf Distanzen von einigen 100km begrenzt. Einzig sog. Relays wurden bereits für viel größere Distanzen demonstriert, wobei dort echte Quanten-Links von bis zu 100km klassisch (also "inkohärent") verknüpft werden. Die Verteilung kohärenter langreichweitiger quantenmechanischer Verschränkung über Distanzen jenseits von 1000km und die damit mögliche Vermeidung vertrauenswürdiger Knotenpunkte ca. alle 100km im Kontext der sicheren Schlüsselverteilung bedarf eines sog. Quantenrepeaters. Im Gegensatz zum klassischen Repeater können beim Quantenrepeater die abgeschwächten Lichtzustände nicht einfach wiederverstärkt werden, da dies die Quantenzustände verändert oder zerstört. Stattdessen kann man kurzreichweitige Verschränkung über ca. 100km verteilen und diese dann über viele Segmente mittels „Quantenteleportation“ verknüpfen. Um dabei nicht ebenfalls eine exponentiell schlechte Effizienz („Rate“) zu erhalten, müssen die einzelnen Repeater-Segmente synchronisiert werden. Dies geschieht mittels Quantenspeicher. Im Mainzer Teilprojekt waren dies sog. Silizium-Fehlstellen in Diamanten, in welche robuste Quantenbits kodiert werden können und welche mit den in den Glasfasern propagierenden Lichtpulsen gekoppelt werden können. Theoretisch gibt es bei größeren, skalierbaren Quantenrepeatern viele verschiedene Strategien wie man die Verschränkunsverteilungen und die Quantenteleportationen kombinieren kann. Es ist hochgradig komplex die entsprechenden Repeater-Raten exakt zu berechnen und zu optimieren. Diese Schwierigkeit erhöht sich nicht nur mit der Größe des Quantenrepeaters (mit der Anzahl der Repeater-Segmente), sondern auch mit dem Übergang von idealisierten zu realistischeren Modellen für die experimentelle Implementierung einschließlich der wichtigsten oder gar aller auftretenden Fehlerquellen (neben Kanalverlusten sind dies insbesondere Speicher-Dephasierung sowie Gatter-Fehler).