Prinzipien der Quantenkommunikationstechnik

• Antragsteller: Dr. Janis Nötzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270559638

Eine der faszinierendsten Entwicklungen unserer Zeit ist die Entstehung von Informations-verarbeitungssystemen unterschiedlichster Größen, von lokal bis global. Diese Systeme verbinden Sensoren, Individuen, Firmen und Nationen. Ihr ökonomisches Potenzial und ihr Einfluss auf unsere Gesellschaft sind enorm. Gleichzeitig erkennen wir die Gefahren und Schwächen dieser Systeme wie beispielsweise Sicherheitslücken oder Instabilitäten durch Attacken oder Änderungen der Umgebungsparameter. Die technologischen Fähigkeiten zum Bau dieser Netzwerke rühren zu einem großen Teil aus der Gültigkeit des Mooreschen Gesetzes. Die weiterführende Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise macht es (will man die Gültigkeit dieses Gesetzes erhalten) jedoch unabdingbar, die Verarbeitung von Information auf subatomaren Skalen zu verstehen. Für die Zukunft ist hier die Entstehung neuer Ingenieursdisziplinen zu erwarten, die auf der Basis der Quanteninformationstheorie arbeiten. Mit der Entwicklung dieser Disziplinen wird jedoch bei weitem nicht nur das Problem der Er-haltung des Mooreschen Gesetzes gelöst. So hat zum Beispiel die Erfindung von Shor s Faktorisierungsverfahren im Jahr 1994 eine Welle von Forschungsaktivitäten ausgelöst. Dieses Verfahren ermöglicht eine effiziente Faktorisierung von Primzahlen, falls ein Quantencomputer verfügbar ist. Die Stärke des Resultats erschließt sich durch einen Blick auf krypto-logische Ansätze wie RSA, deren Sicherheit auf Annahmen über die beschränkte Geschwindigkeit bei der Faktorisierung von Primzahlen auch von zukünftig verfügbaren Systemen basiert. Schon 1984 wurde jedoch von Bennet und Brassard ein gegenteiliges Resultat publiziert: Nachrichtenübertragung auf der Grundlage quantenmechanischer Prinzipien bietet theoretisch perfekte Sicherheit. Die dazu äquivalenten Ansätze der embedded security in klassischen Systemen werden derzeit verwendet um z.B. den Mobilfunk schon auf der physikali-schen Ebene abhörsicher zu machen, während gleichzeitig die technologischen Bausteine für die Realisierung von Quanten Repeatern (und damit sicherer Quantenkommunikation) identifiziert werden. Im Rahmen dieses Projektes werden wir die informationstheoretischen Grundlagen sicherer und robuster Kommunikation erweitern. Wir betrachten Quanten- sowie klassische oder hyb-ride Systeme und analysieren die Bedeutung zusätzlicher Ressourcen wie Feedback und korrelierter Zufallsvariablen. Ein zentraler Ansatz ist dabei die integrierte Betrachtung sowohl von Sicherheits als auch von Robustheitsaspekten, die z.B. die Kommunikation auch bei Veränderungen der Umgebungsparameter ermöglichen. Themen wie unsupervised learning aus dem Bereich des Maschinellen Lernens werden in unsere Analyse einbezogen, sodass die Stärken dieser Methoden zukünftigen Systemen zusammen mit den Kommunikations Funktionen zur Verfügung stehen. Unsere Resultate werden Bausteine für die Festlegung von Design-Paradigmen zukünftiger Systeme liefern.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Professor Dr. Andreas Winter