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Quantum communication with limited resources
Flavio Del Santo
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Caslav Brukner
DOI
10.25365/thesis.47385
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16686.70942.365953-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Quanteninformationstheorie untersucht die Möglichkeiten mit Quantensystemen Information zu verarbeiten. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik, wie beispielsweise Superposition und Verschränkung, erlauben neue Wege der Informationsverarbeitung, die in klassischen Theorien nicht denkbar wären. In den letzten Jahren wurden diese besonderen Quanteneffekte dazu genutzt, um außergewöhnliche Resultate, wie zum Beispiel Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, zu erreichen.
Das Feld der Quantenkommunikation erforscht die Prinzipien der Quantenmechanik, um bestimmte Aufgaben und Protokolle zu realisieren, die mit klassischen Ressourcen unmöglich wären. Im Allgemeinen ist Kommunikation der Prozess bei dem eine Nachricht von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt wird. Solch ein Vorgang benötigt die Kodierung der zu sendenden Information auf einem Signalträger (elektromagnetische Wellen, Spannung, mechanische Wellen, etc.), der den Gesetzen der Physik gehorcht. Aus dieser Perspektive ermöglicht die Quantenmechanik mit ihren der Intuition widersprechenden Prinzipien einen völlig neuen Rahmen für Kommunikationstheorie und Informationsverarbeitung.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell der Kommunikation mit beschränkten Ressourcen (gemessen an der Anzahl an Informationsträgern) und endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Wir zeigen, dass Kommunikation, welche die obigen Restriktionen erfüllt, für klassische Systeme grundlegenden Schranken gehorcht. Im Gegensatz dazu können diese klassischen Barrieren durch Quanteneffekte überwunden werden. Tatsächlich kann Quantenkommunikation mit nur einem Teilchen in räumlicher Superposition und mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu „Mehrwegkommunikation“ führen, was mit rein klassischen Ressourcen unmöglich wäre. Im Kontext von Mehrspieler Kommunikationsspielen zeigen wir einerseits, dass für klassische Theorien die Gewinnwahrscheinlichkeit immer unter Eins liegt und mit der Anzahl der Spieler monoton sinkt. Andererseits erlaubt Kommunikation mittels eines Quantenteilchens in Superposition verschiedener Aufenthaltsorte das Spiel unabhängig von der Anzahl der Spieler immer mit Sicherheit zu gewinnen. Dieses Protokoll wird explizit für zwei, drei und fünf Parteien charakterisiert und danach für eine beliebige Anzahl an Spielern verallgemeinert. Des Weiteren schlagen wir eine mögliche experimentelle Implementation mit einzelnen Photonen für ein Spiel mit drei Parteien vor.
Abstract
(Englisch)
Quantum information theory investigates the capabilities of quantum systems for information processing. The counterintuitive features of quantum mechanics, such as superposition principle or quantum entanglement, paved the way to new possibilities which do not have classical counterparts in information theory. In recent years, these genuine quantum effects have been exploited to achieve novel outstanding results, such as quantum computing, quantum cryptography or quantum communication. The field of quantum communication explores the principles of quantum theory in order to accomplish certain tasks and protocols of communication that are impossible using classical resources. In a general sense, communication is the process of transmitting a message from a sender to a receiver. Such a process usually requires to encode the information in some information carrier (e.g. electromagnetic waves, voltage signals, mechanical waves, etc.), which obeys the laws of physics. From that perspective, quantum physics with its counterintuitive laws and principles that do not have corresponding classical counterparts, provides a novel and powerful framework for communication and information processing in general.
The main objective of the present thesis is to investigate a model of communication that is restricted to limited resources (as measured by the amount of information carriers), and the finite speed of propagation. We show that communication fulfilling the mentioned restrictions, is fundamentally limited for classical systems. On the contrary, when quantum effects are allowed, one can surpass the classical limitations. In fact, quantum communication bounded to the exchange of a single particle (in spatial superposition) with finite speed can result in ”two-way signalling”, which is impossible using classical resources. In the language of multipartite communication games, we show that the probability of success is always less than unity, and it monotonically decreases as the number of players grows, for all classical models of communication. On the other hand, communication via a quantum particle that is prepared in superposition of different spatial locations, allows to win the game with certainty, independently of the number of players. The game has been explicitly characterised for two, three and five parties, and generalised to an arbitrary number of players. Moreover, we propose a possible experimental implementation of the three-party game using single-photons.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum communication foundations of quantum physics Bell's inequalities
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenkommunikation Grundlagen der Quantenphysik Bellsche Ungleichungen
Autor*innen
Flavio Del Santo
Haupttitel (Englisch)
Quantum communication with limited resources
Paralleltitel (Deutsch)
Quantenkommunication mit limitierten Ressourcen
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
63 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Caslav Brukner
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC15029785
Utheses ID
41934
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |