Spuren von Information in der Raumzeit

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ramona Wolf
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559916168

In der Quanteninformationstheorie wird Information typischerweise als abstrakt und unabhängig von ihrem physikalischen Träger betrachtet, wobei implizit eine klar definierte Position in der Raumzeit angenommen wird. Diese Abstraktion kann jedoch aufgrund von Phänomenen wie Nichtlokalität und Verschränkung zusammenbrechen. Daher kann Information nicht immer auf spezifische Regionen beschränkt werden, was Bedenken hinsichtlich der sicheren Speicherung und Übertragung aufwirft. Dies ist besonders relevant für Quanten-Schlüsselaustauschprotokolle (QKD), bei denen der genaue Ort der Informationen entscheidend ist, um sensible Daten wie kryptografische Schlüssel vor Angreifern zu schützen. Das Verständnis des raumzeitlichen Verhaltens von Quanteninformation entscheidend für die Entwicklung sicherer Kommunikationssysteme. Dazu müssen wir untersuchen, wie Bezugssysteme die Lokalisierung von Information beeinflussen. Im quantenmechanischen Kontext können Bezugssysteme selbst Quantensysteme sein, was Komplexitäten durch Superposition und Verschränkung hervorruft. Durch die Einbeziehung sowohl klassischer als auch quantenmechanischer Bezugssysteme in kryptografische Protokolle erforschen wir, wie Informationen übertragen und von Angreifern ausgenutzt werden, und etablieren Sicherheitsbeweise, die das Verhalten der Information in der Raumzeit einbeziehen. Das erste Ziel ist, klassische Bezugssysteme in QKD Sicherheitsbeweise zu integrieren und zu untersuchen, wie Angreifer diese in einem QKD-Protokoll ausnutzen könnten. Wir erweitern bestehende Techniken und untersuchen, ob QKD-Protokolle sicher sind, ohne die physikalische Ausrichtung zu berücksichtigen. Als Nächstes führen wir quantenmechanische Bezugssysteme (QRFs) ein, bei denen Quantensysteme als Bezugspunkte dienen. Hier zeigt das Paradoxon des dritten Teilchens, wie das Hinzufügen eines Teilchens zu einem verschränkten System den Ort der Information unerwartet verändern kann. Wir untersuchen, wie QRFs die Geheimhaltung beeinflussen und erweitern Sicherheitsbeweise so, dass die quantenmechanische Natur von Bezugssystemen berücksichtigt wird. Abschließend erstreckt sich die Studie auf die Quanten-Gravitation, wo Subsysteme nicht mehr wohldefiniert sind und die Annahme, dass Informationen sicher in einem Labor gespeichert werden können, in Frage gestellt wird. Wir entwickeln Methoden, um Subsystemstrukturen zu approximieren, die die Grundlage für die Untersuchung von Quanteninformationsverarbeitung in der Quanten-Gravitation bilden. Unsere Forschung bringt die Quantenkryptographie voran, indem sie die zuvor abstrahierten Aspekte der Raumzeit wieder einführt. Sie vertieft unser Verständnis von quantenmechanischen Bezugssystemen und klärt deren Einfluss auf die Lokalisierung von Informationen und die sichere Kommunikation in antagonistischen Szenarien. Diese Erkenntnisse werden zu den theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungen quantenmechanischer Technologien beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Linqing Chen; Professor Dr. Renato Renner