Prinzipien des Designs von Quanten-Kommunikationssystemen

• Antragsteller: Dr. Janis Nötzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389690694

Eine der faszinierendsden Entwicklungen unserer Zeit ist die der Kommunikationsnetzwerke. Diese verbinden Sensoren, Menschen, Firmen und ganze Nationen über den gesamten Globus. Sie transformieren unsere Denk- und Arbeitsweisen und unsere Gesellschaften. Die ständig verfügbaren Verbindungen und Zugangsmöglichkeiten zu Informationen setzen ein enormes intellektuelles Potential frei, welches uns ermöglicht immer weitere wissenschaftliche und technologische Gipfel zu erklimmen. Das große Potential dieser Kommunikationsnetzwerke bringt auch Gefahren mit sich, wie zum Beispiel neue Möglichkeiten zur Beeinflussung der öffentlichen Meinung. Informationen im Netzwerk können versteckt, gestohlen oder mit falschen Informationen ersetzt werden. Teile der Netzwerke können durch Angriffe vom Rest abgetrennt werden, um Anbietern bestimmter Dienstleistungen zu schaden.Quantentechnologien werden unsere Kommunikationsnetze revolutionieren: Sie versprechen absolut sichere Informationsübertragung, sofern robuste Übertragungsmechanismen zur Verfügung stehen. Die flächendeckende Verfügbarkeit von über weite Strecken verschränkten Quantenzuständen wird gänzlich neue low-latency use cases ermöglichen, und Quantencomputer werden die Entschlüsselung geheimer Daten genauso ermöglichen wie die schnelle Analyse der stetig wachsenden Datenmengen in den Netzwerken.Um einen positiven Einfluss auf unsere Gesellschaft sicherzustellen, müssen diese Entwicklungen von einer ganzheitlichen Perspektive betrachtet, verstanden und im Rahmen einer Vorhersage veröffentlicht werden. Zugleich müssen diejenigen elementaren Mechanismen identifiziert und propagiert werden, welche auf effiziente Art und Weise die Funktionalitäten des notwendigen Equipments sicherstellen. Für das Design von Telekommunikationsnetzen bedeuten die neuen Technologien die Entstehung einer zusätzlichen Systemschicht, welche spezifisch für die Nutzung von Mechanismen auf der Basis von Quantenphänomenen reserviert ist. Hierzu zählen sichere Datenübertragung, Datenverarbeitung im Bereich des machine learning und potentiell die Nutzung von Verschränkung zur schnellen Koordination von Netzwerkprozessen.Dieses Projekt wird die theoretischen Grundlagen sicherer und robuster Informationsübertragung stärken, das Zusammenspiel unterschiedlicher Netzwerkressourcen analysieren, Codierungsansätze für elementare Kanalmodelle entwickeln und die Rolle von Verschränkung zur Erreichung der stringenten low latency Anforderungen aktueller Kommunikationsnetzwerke untersuchen.Zeitgleich werden die Verbindungen zwischen Informationstheorie und elementaren Aufgaben im Bereich des maschinellen Lernens verstärkt werden. Durch die stringente Nutzung inormationstheoretischer Modellierungsansätze werden die unterschiedlichen untersuchten Aspekte untereinander vergleichbar sein, und eine Vorhersage der Auswirkungen von Quanten-Kommunikationstechnologien auf unsere Gesellschaft ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen