Dekohärenz in Quantensystemen abschwächen
Von Rechenverfahren bis zur Informationsverarbeitung, Sensorik und Kommunikation sind bei den Quantensystemen rasante Fortschritte zu verzeichnen. Doch auch wenn die Zukunft der Quantenphysik gehören mag, sind diese Systeme noch lange nicht perfekt. „Alle Quantensysteme leiden unter der allgegenwärtigen Quantendekohärenz, die sich in Form von Bit-Flips, Phasen-Flips oder beidem äußert“, erläutert Lajos Hanzo(öffnet in neuem Fenster), Experte für Quanteninformation und Telekommunikation. Quantendekohärenz tritt immer dann auf, wenn reine Quantenzustände durch die Umgebung kontaminiert werden. Da diese Qubit-Fehler die Leistungsfähigkeit eines Quantensystems ernsthaft beeinträchtigen, müssen sie unbedingt korrigiert werden – und genau dazu wird die Arbeit des EU-finanzierten Projekts QuantCom beitragen. „Unser Ziel ist es, leistungsfähige Quantenfehlerkorrekturcodes zu entwickeln, die in der Lage sind, durch Dekohärenz verursachte Bit- und Phasen-Flips in jedem Quantensystem abzuschwächen“, fügt Hanzo als Hauptforscher des Projekts hinzu. Das Team des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts befasste sich außerdem mit der Erarbeitung ausgeklügelter Lösungen für den Quantenschlüsselaustausch für die hochsichere Kommunikation und mit der Erkundung der Realisierbarkeit eines globalen Quanteninternets.
Abkürzung zur Überwindung der Dekohärenz
Jede bahnbrechende Forschung ist mit einer Fülle von Herausforderungen verbunden, und das Projekt QuantCom bildet in dieser Beziehung keine Ausnahme. Beispielsweise wird die Überwindung der Dekohärenz zwar im Endeffekt lange Codewörter erfordern; Quantencomputer können jedoch zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht dermaßen viele Qubits verarbeiten. „Wir konnten diese Herausforderung umgehen, indem wir kurze Codes mit adaptiver Rate entwickelten, die sowohl eine begrenzte Anzahl von Qubits als auch begrenzten Speicher benötigen“, erklärt Hanzo. Im Rahmen des von der Universität Southampton(öffnet in neuem Fenster) koordinierten Projekts wurden zudem neue, nahezu optimale Anordnungen für den Quantenschlüsselaustausch und auf Einzelphotonenspeicher basierende quantensichere Direktkommunikationsanordnungen sowie neuartige optische, reflektierende, intelligente, oberflächengestützte Quantenkommunikations- und nahezu optimale integrierte Raum-Luft-Boden-Netzwerke entwickelt.
Den Weg in eine Quantenzukunft bereiten
Die Projektforschungsergebnisse wurden in zahlreichen wissenschaftlichen Artikeln in Fachzeitschriften veröffentlicht sowie auf verschiedenen Konferenzen und wissenschaftlichen Veranstaltungen vorgestellt. Hanzo arbeitet gegenwärtig an der Fertigstellung einer Forschungsmonografie über Quantenfehlerkorrekturcodes. Im Zuge des Projekts wurde auch ein Team von im Doktorat und Postdoktorat befindlichen Personen ausgebildet, die sich bereits in Kanada, China, Indien, Japan, dem Vereinigten Königreich, den Vereinigten Staaten und Vietnam profiliert hatten. „Unsere Forschung und die angegliederten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wirken als Katalysator für die zukünftige Forschung im Bereich der Quantenkommunikation, einer Forschung, in der meiner Meinung nach die Quantendekohärenz der Vergangenheit angehören und die den Weg in eine Quantenzukunft bereiten wird“, schließt Hanzo. Hanzo erforscht heute Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung auf Netzwerkebene mithilfe hochentwickelter vertrauenswürdiger/nicht vertrauenswürdiger und verschränkungsbasierter Quantendomain-Relaying-Verfahren.
