Effiziente Mehrstufen-Destillation von Quantenzuständen gegen Gaußsche Dekohärenz ohne Erfordernis von Quantenspeichern

• Antragsteller: Professor Dr. Roman Schnabel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388405666

Eine wesentliche Komponente von Quantenkommunikationsprotokollen ist die Verteilung von Quantenzuständen zwischen voneinander entfernten Parteien. Licht ist das geeignetste Trägersystem, da es relativ unempfindlich gegenüber Dekohärenzeffekten ist. Bei der Überbrückung großer Distanzen stellen jedoch insbesondere gaußsche Dekohärenzeffekte, wie zum Beispiel optischer Verlust, trotzdem eine kritische Problematik dar. Generell reduziert Dekohärenz die Datengeschwindigkeit, die in der Praxis schnell auf null absinkt. Dekohärenz stellt in der Tat eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien dar.Mehrstufen-Destillations-Protokolle wurde bereits vor längerer Zeit vorgeschlagen, um Dekohärenz zu überwinden, aber ihre probabilistische Natur macht sie ineffizient, da die Erfolgswahrscheinlichkeit exponentiell mit der Anzahl der Stufen absinkt. Um wiederum dieses Problem zu lösen und Mehrstufen-Destillation-Protokolle effizient zu machen, wurde der Einsatz von Quantenspeichern vorgeschlagen. Allerdings sind geeignete Quantenspeicher bis heute nicht realisiert.Das Ziel dieses Projekts ist die experimentelle Demonstration effizienter Mehrstufen-Destillation von gaußschen Quantenzuständen, deren Qualität durch gaußsche Dekohärenz verschlechtert wurde, und zwar ohne Quantenspeicher.Das Projekt fokussiert sich auf gaußsche verschränkte (zwei-Moden-gequetschte) Zustände und gaußsche Dekohärenz in Form von optischem Verlust. Um das bekannte "No-Go"-Theorem für Destillation innerhalb des gaußschen Regimes zu umgehen, wird unser Protokoll durch erfolgreiche Subtraktion von einzelnen Photonen initiiert. Die spezielle und neue Eigenschaft unseres Protokolls ist, dass kein Quantenspeicher notwendig ist. Stattdessen folgenden wir einem jüngsten theoretischen Vorschlag, die Husimi-Q-Funktion der Zustände zu messen und eine geeignete Datennachbereitung zu verwenden. Dieser Ansatz ist in der Lage eine Mehrstufen-Destillation an Daten durchzuführen, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden. Die destillierten Daten sind nicht von denen zu unterscheiden, die bei Unterstützung durch Quantenspeicher gewonnen werden könnten. Da unser Ansatz die finale Messung aller Quantenzustände beinhaltet, ist er insbesondere für die Anwendung und Verbesserung von Quantenschlüsselverteilung unter realen Bedingungen geeignet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jaromir Fiurásek