Quantenkommunikationsnetze

Table of Contents

1. Frontmatter

2. 1. Einführung

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Die Telekommunikation hat sich von einem „Store-and-Forward“-Paradigma zu einem „Compute-and-Forward“-Paradigma entwickelt. Dieser Wandel (der die Datenverarbeitung zum Kernstück der Kommunikation macht) ist dank der Virtualisierung und Softwarisierung der Netze möglich geworden. Allerdings stoßen alte, und künftige Kommunikationsnetze, die auf der klassischen Physik basieren, an Grenzen, die nicht überschritten werden können. Solche Limitationen werden vor allem die Leistung der Sicherheit, die Latenzzeit und die Kommunikationseffizienz betreffen. Die einzige Möglichkeit, über diese Grenzen hinauszugehen, ist ein Paradigmenwechsel, bei dem die Telekommunikation die Quantenmechanik nutzt. Durch die Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften der Natur können künftige Kommunikationsnetze unerwartete Leistungen auf effiziente Weise erzielen. Die Klärung dieses Zusammenhangs und die Gründe für den Einsatz der Quantenmechanik in der Telekommunikation sind das zentrale Thema dieses einführenden Kapitels.

3. 2. Grundlegender Hintergrund

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Von Anfang an (und auch heute noch) stützt sich die Telekommunikationstheorie auf die klassische Physik und die Regeln der klassischen Systeme. Tatsächlich gehorcht die Telekommunikation jedoch den allgemeineren Postulaten und Gesetzen der Quantenmechanik. Um die Vorteile der Quantenmechanik für die Telekommunikation vollständig zu verstehen, ist es wichtig, sich zunächst mit den grundlegenden Definitionen und Theorien dieses Bereichs der Physik zu befassen. In diesem Kapitel werden Präliminarien, Notationen und Terminologien der Quantenmechanik besprochen, welche für das Verständnis der Theorie der Quantenkommunikationsnetze von zentraler Bedeutung sind. Diese Inhalte werden eingeführt und erläutert und eignen sich für den Leser mit einem Hintergrund in Physik oder Ingenieurwesen. Beginnend mit der Dirac-Notation, reinen Systemen, zusammengesetzten Systemen, Dichtematrizen, Verschränkung und Quantenmessungsmodellen geht die Diskussion weiter zu Quantenkanälen, statistischer Theorie und Quantenentropie. Schließlich wird das Konzept der Quanten-Nichtlokalität und seine Verbindung zu kooperativen Spielen in der Quantenspieltheorie erklärt.

4. 3. Quantencomputing und Programmierung

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Der Grund für die Entwicklung der Quanteninformatik liegt nicht nur im Erreichen einer höheren Rechenkapazität, sondern auch darin, Quantensysteme richtig simulieren und numerisch untersuchen zu können. Es ist immer noch nicht klar, was die Gesamtheit aller Berechnungsaufgaben für Quantennetzwerke ist und welche Aufgaben mit einem Quantencomputer gelöst werden müssen oder vorzugsweise gelöst werden. Ziel dieses Kapitels ist es, ein Verständnis für die zentralen Quantenideen zu vermitteln, die zu den Standard-Must-Do-Themen in der Quantenberechnung gehören und die ihre Anwendung in Quantennetzwerken finden könnten.

5. 4. Quanteninformationstheorie

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Das vorliegende Kapitel führt in die mathematische Modellierung von Quantenkommunikationssystemen im Sinne der Shannon’schen Konzeption der Informationstheorie ein. Sowohl bei der Auswahl der behandelten Themen als auch bei der methodischen Herangehensweise lassen sich Analogien zu dem Stoff ziehen, der in den Standardmodulen der klassischen Informationstheorie behandelt wird, die unter anderem für Master- und Bachelorstudenten der Elektrotechnik und der Kommunikationswissenschaften gedacht sind. Nachdem wir die eher grundlegenden Kommunikationsprotokolle behandelt haben, gehen wir zu fortgeschritteneren Modellen über, in denen die Kommunikation mit verschiedenen Arten von Quantenkanälen durchgeführt werden kann. Zu den in diesem Kapitel behandelten Themen gehören Quantenteleportation und superdense coding, Quantenhypothesentests, Quellenkodierung für speicherlose Quantenquellen und Kodierungstheoreme für die klassische Nachrichtenübertragung über speicherlose Quanten- und klassische Quantenkanäle. Wir schließen das Kapitel mit ausgewählten fortgeschrittenen Themen wie informationstheoretische Sicherheit für Quantenkanäle, optimale Protokolle für die Erzeugung von klassischen und Quantenressourcen und schließlich Kommunikation unter realistischeren Modellen wie den zusammengesetzten und willkürlich variierenden Kanälen.

6. 5. Quantenfehlerkorrektur

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Eine aktive Fehlerkorrektur ist notwendig, um den Auswirkungen des Rauschens entgegenzuwirken. Die klassische Fehlerkorrektur wird in der Regel zum Schutz der Datenübertragung und -speicherung eingesetzt, da sich unter diesen Bedingungen das Rauschen im Laufe der Zeit oder des Raums ansammeln konnte. Ansonsten gibt es keine aktive Fehlerkorrektur bei der Berechnung, da die Signalpegel im Vergleich zum Rauschen extrem hoch sind. Die Verstärkung kann nicht verwendet werden, um stabile Qubits zu erhalten, da sie nicht mit Quanteninformationen durchgeführt werden kann, ohne sie zu zerstören, da die klassische Verstärkung eine implizite Messung verbirgt. Damit bleibt die Fehlerkorrektur als einziger Schutz der Quanteninformation gegen Rauschen, und die hohen Rauschwerte in Quantensystemen machen eine Fehlerkorrektur zu jeder Zeit, auch während der Verarbeitung, erforderlich. In diesem Kapitel werden die grundlegendsten Werkzeuge für die Konstruktion von Quantenfehlerkorrekturcodes und die Grundprinzipien der fehlerkorrigierten Quantenberechnung behandelt.

7. 6. Quantenkommunikationsnetze: Entwurf und Simulation

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Nach der Beschreibung spezifischer Forschungsbereiche der angewandten Quantenmechanik, wie der Quanteninformationstheorie, der Quantenfehlerkorrektur und des Quantencomputers, werden in diesem Kapitel diese Ergebnisse genutzt und in den größeren Zusammenhang von Quantenkommunikationsnetzen gestellt. Solche Netze erfordern den Einsatz sogenannter Quanten-Repeater, die aus Quanten- und klassischer Hardware bestehen und Quantendestillation und -speicherung durchführen. Als Nächstes werden die Rolle und die Eigenschaften der Verschränkungserzeugung und -verteilung erläutert, mit einer spezifischen Beschreibung des Verschränkungsaustauschs und der Quantennetzcodierung. Die Diskussion über Quantenkommunikationsnetze endet mit einer Darstellung der Quantentheorie der Mehrfachzugriffskanäle und ihrer Beziehung zur Quantenspieltheorie. Schließlich wird das Problem der Simulation und Evaluierung von Quantenkommunikationsnetzen mit Hilfe von Simulatoren auf der Grundlage klassischer Hardware und Software behandelt. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel die wichtigsten derzeit verfügbaren Simulatoren, ihre Eigenschaften sowie ihre Vor- und Nachteile aufgeführt.

8. 7. Quantenkommunikationsnetze: Abschließende Überlegungen und Anwendungsfälle

   Riccardo Bassoli, Holger Boche, Christian Deppe, Roberto Ferrara, Frank H. P. Fitzek, Gisbert Janssen, Sajad Saeedinaeeni

   Zusammenfassung

   Dieses Kapitel schließt das Buch mit abschließenden Überlegungen zu Quantenkommunikationsnetzen ab und unterstreicht, wie diese die klassische Telekommunikation übertreffen können. Darüber hinaus werden praktische Anwendungsfälle von Quantenkommunikationsnetzen (mit ihren neuesten Ergebnissen) vorgestellt, wie das Quanten-Internet der Dinge und die verteilte Quantensynchronisation.

9. Backmatter