Beyond binary quantum communication
- Reference number
- FFL24-0015
- Project leader
- Tavakoli, Armin
- Start and end dates
- 260101-301231
- Amount granted
- 15 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
Quantum technology is typically based on qubits – that is quantum systems with two possible classical states. However, advances in recent years have brough more sophisticated quantum systems within technological reach. These quantum systems have many possible classical states - commonly called high-dimensional quantum systems (HDQS). They are known to have the potential to greatly enhance quantum communication and quantum cryptography, but today much is still unknown about their basic physics and how their abilities might translate into communication advantages that persist also once realistic conditions and technological limitations are taken into account. This project combines basic physics research on HDQS with research on their applications in quantum communication. Its main objectives are to characterize genuine HD behavior for paradigmatic quantum resources such as superpositions and entanglement, to develop efficient and practical benchmarking methods for these resources and to leverage these insights for applications in quantum communication and cryptography. The project is divided into three work packages, focused respectively on single quantum systems, entangled states and quantum communication applications. These are designed to cross-feed each other and will be pursued mostly in parallel. The expected result of the project is broader and deeper understanding of the physics of HDQS and the ability to deploy them for real-life quantum communication systems.
Popular science description
Kvantmekaniken är den dominerande teorin för naturens minsta beståndsdelar. Den har varit lika framgångsrik som den varit radikal i sin beskrivning av den mikroskopiska verkligheten. Idag talas det om den ”andra kvantrevolutionen” – eran då vi kan kontrollera enskilda kvantpartiklar och använda deras annorlunda egenskaper för att bygga informationsteknologi såsom datorer och kommunikationssystem. Dessa kvantteknologier begränsas av andra naturlagar än konventionella teknologier och därför representerar de ett paradigmskifte. Ett exempel på kvatteknologins löften är kvantkryptografi där ambitionen är att inte längre basera informationssäkerhet på hackares teknologiska begränsningar utan istället direkt på naturens lagar. Kvantteknologi är idag av stort internationellt intresse och dess utveckling är både rask och ambitiös. Den grundläggande enheten för kvantinformation kallas för en ”qubit” (quantum bit). Precis som en ”bit” kan den vara antingen 0 eller 1, men också i genuina kvanttillstånd som är något däremellan – sådana kallas för superpositioner. Dock finns det också mer komplicerade superpositioner som är tillstånd emellan ett flertal olika ”vanliga” tillstånd dvs. 0,1,2,3... De kallas hög-dimensionalla kvanttillstånd och det är välkänt att de ger upphov till starkare kvanteffekter än vanliga qubits. De kan t.ex. möjliggöra mer effektiv kvantkryptografi. Under lång tid var problemet att dessa tillstånd var svåra att skapa i kontrollerade labmiljöer. Detta har börjat förändras under de senaste åren. Allt fler lab har utvecklat allt mer förfinade hög-dimensionella kvanttillstånd – de är på väg att hamna inom räckvidden för kvantteknologins många tillämpningar. Projektets mål är att teoretiskt förstå, kartlägga, konceptuellt och beräkningsmässigt utveckla och inom kvantkommunikation tillämpa hög-dimensionella kvanttillstånd. Fokus läggs på ett samspel mellan grundforskning på fundamentala fysikaliska egenskaper och forskning på hur dessa bäst tillämpas för att förbättra kvantkommunikation och kryptografi i praktiken.