Gravitationsrotverschiebung in Quantenkommunikationsprozessen

• Antragsteller: David Edward Bruschi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548528714

Modell realistischer Photonen zu erhalten, die sich in einer gekrümmten Raumzeit ausbreiten, und zu verstehen, wie ihr Quantenzustand durch die Krümmung beeinflusst wird. Im Rahmen des GREQO-Projekts werden insbesondere die folgenden konkreten Ziele verfolgt: i) Modellierung der Entwicklung des Quantenzustands eines Photons, das sich in einer 3+1-dimensionalen, schwach gekrümmten Raumzeit ausbreitet. Für die Modellierung realistischer Photonen, die sich zwischen zwei auf unterschiedlicher Höhe befindlichen Nutzern ausbreiten, müssen wir Folgendes erreichen: Erweiterung der bestehenden Ergebnisse des 1-D-Spielzeugmodells auf den vollständigen 3+1-dimensionalen Fall, einschließlich der Photonen-Wellenpakete, die mit einem beliebigen Anfangswinkel gesendet werden; Erweiterung der Theorie vom Skalarfeld zum Spin- 1-Feld, wodurch Polarisation/Helizität eingeführt werden, die ebenfalls zu definierenden Freiheitsgraden des Quantenzustands werden; Berechnung eichinvarianter Größen, die die Auswirkungen auf die Polarisation quantifizieren; Anwendung auf Konstellationen, in denen Photonen von mehreren Knotenpunkten reflektiert werden; Einbeziehung der Auswirkungen der Schwerkraft als neuer Term in die Radargleichung, der die Wahrscheinlichkeit der Detektion von Photonen durch einen Empfänger quantifiziert, wenn sich das Signal im freien Raum zwischen der Erde und einem Satelliten ausbreitet. ii) Charakterisierung der Zustandsumwandlung zwischen Eingangsort und Endort als Quantenkanal durch Berechnung der relevanten Maße für Kohärenz, Kanalkapazität und Verschränkung. Die Modellierung des Prozesses als Kanal wird es uns ermöglichen, die Wirkung der Schwerkraft auf den Quantenzustand mit Hilfe der Theorie der Quantenkanäle zu interpretieren. Dies wird es uns ermöglichen: Grenzen für die übertragbare Information durch den leeren Raum zu setzen, wenn Photonen als Informationsträger verwendet werden; die optimale Konfiguration in verschiedenen Szenarien zu finden, indem wir die Anfangsparameter des Photons und die Parameter des Senders und des Empfängers optimieren; Informationen über die potenziellen zusätzlichen Seitenkanäle zu erhalten, die verwendet werden können, um Quanten-Schlüsselverteilungsprotokolle anzugreifen, die auf dem Austausch von Photonen im Raum basieren; auch die Verteilung und Verwendung von mehrteiligen verschränkten Zuständen von sich ausbreitenden Photonen in konkreten Protokollen zu charakterisieren. iii) Durchführbarkeitsanalyse. Als letztes Ziel werden wir die Ergebnisse dieses Projekts auf mindestens einen konkreten satellitengestützten Aufbau anwenden. Wir werden uns auf einen Aufbau konzentrieren, bei dem die Quelle auf einem kleinen, kosteneffektiven Cubesat platziert ist, einem Mitglied der voll funktionsfähigen Familie der kleinen (Nano-)Satelliten, die auf LEOUmlaufbahnen eingesetzt werden. Unser Ziel wird es sein, der Auswirkungen abzuschätzen und sie mit anderen bestehenden Quellen von Lärm und Verlusten zu vergleichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Andreas Wolfgang Schell, Ph.D.