Bortom binär kvantkommunikation
- Diarienummer
- FFL24-0015
- Projektledare
- Tavakoli, Armin
- Start- och slutdatum
- 260101-301231
- Beviljat belopp
- 15 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Lund University
- Forskningsområde
- Informations-, kommunikations- och systemteknik
Summary
Kvantteknologi baseras vanligen på qubits – dvs. kvantsystem med två möjliga klassiska tillstånd. De senaste årens framsteg har dock fört mer sofistikerade kvantsystem inom teknologins räckvidd. Dessa kvantsystem kan ha många olika klassiska tillstånd och de kallas vanligen för hög-dimensionella kvantsystem (HDKS). Det är känt att dessa kan väsentligt förbättra kvantkommunikation och kvantkryptografi. Dock är mycket om deras grundläggande fysik fortfarande okänt samt hur deras egenskaper skulle kunna omsättas i kommunikationsfördelar även då realistiska villkor och teknologiska begränsningar tas i beaktning. Det här projektet kombinerar grundforskning på HDKS med forskning på deras tillämpningar i kvantkommunikation. Projektets huvudsakliga mål är att karaktärisera genuina HD egenskaper för paradigmatiska kvantresurser såsom superpositioner och sammaflätade tillstånd, att utveckla effektiva och praktiska metoder att utvärdera dessa resurser och att använda dessa insikter för tillämpningar i kvantkommunikation och kryptografi. Projektet är uppdelat i tre delmoment. De är fokuserade på enskilda kvantsystem, sammanflätade kvantsystem och kvantkommunikationstillämpningar. De är utformade för att berika varandra och kommer utföras mestadels parallelt med varandra. Resultatet av detta projekt förväntas vara bredare och djupare förståelse för fysiken bakom HDKS och förmågan att tillämpa dem för realistiska kvantkommunikationssystem.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.