131.188.3.226 am 17. November 2023 um 22:06 Uhr

2023-11-17T22:06:16Z

Neue Seite

Ein '''Quantenrepeater''' (oft auch: „quantum repeater“) ist wichtiger Baustein für [[Quantenkommunikation]] über große Distanzen. Wie beim (klassischen) [[Repeater]] in der digitalen [[Kommunikationstechnologie|Kommunikationstechnik]] werden zwischen Sender und Empfänger Repeater eingesetzt. Das Konzept des Quantenrepeaters wurde 1998 von [[Hans J. Briegel|Hans-Jürgen Briegel]], [[Wolfgang Dür]], [[Juan Ignacio Cirac]] und [[Peter Zoller]] eingeführt.<ref name="Briegel1998" />
Da aber im Gegensatz zu klassischen Signalen bei einem quantenmechanischen [[Zustand (Quantenmechanik)|Zustand]] das Verstärken oder Kopieren des Signals nicht möglich ist (''[[No-Cloning-Theorem|No-Cloning-Prinzip]]''), beruht der Quantenrepeater auf [[Quantenverschränkung]], dem Prinzip des ''[[entanglement swapping]]'' (etwa: Verschränkungs-Austausch, vgl. Skizze) und der [[Verschränkungsdestillation]] (oder -reinigung, vgl. Skizze).<ref name="BRUSS" />

[[Datei:EntanglementSwappingSketch.png|mini|Prinzip des Entanglement Swapping]]
[[Datei:EntanglementDistillationSketch.png|mini|Prinzip der Verschränkungsreinigung]]

Zwischen den Stationen von Sender Alice und dem Empfänger Bob befinden sich eine Reihe von Repeaterstationen <math>R_1, R_2, \dots, R_n</math>, die jeweils klassische und quantenmechanische Signale empfangen, speichern, und senden können. Das Speichern von quantenmechanischen Zuständen erfolgt in einem [[Quantenspeicher]]. Für das Quantenrepeater-Protokoll werden zunächst Zustände in Quantenspeichern benachbarter Repeaterstationen verschränkt. Jetzt teilt jede der inneren Repeaterstationen <math> R_2, \dots, R_{n-1}</math> mindestens zwei verschränkte Zustände, einen mit jedem Nachbarn. Solch ein Paar verschränkter Zustände ermöglicht das entanglement swapping zur Erzeugung von Verschränkung zwischen Zuständen der Nachbarstationen. Durch entanglement swapping an jeder Station wird Verschränkung zwischen der ersten und der letzten Repeaterstation erzeugt, welche dann die verlustfreie Übertragung von Quantenzuständen via [[Quantenteleportation]] von Alice zu Bob ermöglicht. Mögliche Fehler der Verschränkungserzeugung und des entanglement swapping können durch die Erzeugung redundanter verschränkter Paare und [[Verschränkungsdestillation]] aufgefangen werden.

Unter geeigneten Bedingungen ermöglicht der Quantenrepeater trotz mit der Entfernung exponentiell wachsender Verluste die Kommunikation mit nur polynomial zunehmenden Ressourcen (d. h. Dauer, Zahl der Stationen, Zahl der benötigten [[Qubit]]s und Messungen). Der Quantenrepeater stellt eine spezielle Form der [[Quantenfehlerkorrektur]] dar. Seit dem Vorschlag des ersten Repeaterprotokolls hat es eine Vielzahl von Varianten, Verbesserungen und Implementationsvorschlägen gegeben, in denen es insbesondere darum ging, die Anforderungen bezüglich der Zahl der in der Repeaterstationen gleichzeitig zu speichernden Qubits und der Qualität der dafür nötigen [[Quantenspeicher]] zu reduzieren. Obwohl alle einzelnen Schritte, die für einen Quantenrepeater benötigt werden, schon experimentell gezeigt werden konnten<ref>{{Literatur |Autor=Yu-Ao Chen, Bo Zhao, Shuai Chen, [[Jörg Schmiedmayer]], [[Jian-Wei Pan]] |Titel=Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node |Sammelwerk=Nature |Band=454 |Nummer=7208 |Datum=2008-08 |ISSN=1476-4687 |Seiten=1098–1101 |Online=https://www.nature.com/articles/nature07241 |Abruf=2019-09-05 |DOI=10.1038/nature07241}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=R. Hanson, M. Markham, D. J. Twitchen, S. C. Benjamin, N. H. Nickerson |Titel=Entanglement distillation between solid-state quantum network nodes |Sammelwerk=Science |Band=356 |Nummer=6341 |Datum=2017-06-02 |ISSN=0036-8075 |Seiten=928–932 |Online=https://science.sciencemag.org/content/356/6341/928 |Abruf=2019-09-05 |DOI=10.1126/science.aan0070 |PMID=28572386}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=V. Krutyanskiy, M. Canteri, M. Meraner, J. Bate, V. Krcmarsky, J. Schupp, N. Sangouard, B. P. Lanyon |Titel=Telecom-Wavelength Quantum Repeater Node Based on a Trapped-Ion Processor |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=130 |Nummer=21 |Datum=2023-05-22 |ISSN=0031-9007 |DOI=10.1103/PhysRevLett.130.213601 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.213601 |Abruf=2023-05-24}}</ref> ist es bis jetzt nicht gelungen einen kompletten Quantenrepeater zu verwirklichen.

== Weblinks ==
* [https://qt.eu/quantum-principles/communication/quantum-repeaters Quantum Repeaters]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Briegel1998">
{{Literatur |Autor=[[Hans J. Briegel|H.-J. Briegel]] u. a. |Titel=Quantum Repeaters: The Role of Imperfect Local Operations in Quantum Communication |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Band=81 |Datum=1998 |Seiten=5932–5935 |arXiv=quant-ph/9803056}}
</ref>
<ref name="BRUSS">
[[Dagmar Bruß]]: ''Quanteninformation.'' Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2003, ISBN 3-596-15563-0, S. 105ff.
</ref>
</references>

[[Kategorie:Quanteninformatik]]

Quantenrepeater - Versionsgeschichte

131.188.3.226 am 17. November 2023 um 22:06 Uhr