Dokument: Satellite-based links towards a global quantum network

Titel:	Satellite-based links towards a global quantum network
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56558
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210712-104336-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ms.C. Liorni, Carlo [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,86 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.06.2021 / geändert 15.06.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Bruß, Dagmar [Gutachter] PD Dr. Kampermann, Hermann [Gutachter]
Stichwörter:	Quantum cryptography, quantum key distribution, satellite optical links, quantum repeaters
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Quantum technologies have the potential to achieve revolutionary improvements over current classical technologies. The technical challenges that they introduce, however, make their translation from laboratories to real-life applications very arduous. For this reason, a thorough theoretical analysis of what can be achieved by quantum technologies, in the ideal case and in applications in the field, is mandatory. This thesis deals with satellite-based quantum key distribution. In this recently developed research field, optical links between satellites and stations on the ground are used to share quantum information by means of faint beams of light. Such information, through specific protocols, can then be turned into a secret key shared between the communicating parties. This resource is of great value in today's world, since most of the information shared on the internet is encrypted. As we briefly introduce in the following paragraphs, three main aspects of satellite-based quantum communication are addressed in this thesis, all of great interest for the development of the field. Satellite-based links, like any other atmospheric optical channel, are heavily influenced by the weather condition. This problem is well known since decades in classical communication but the peculiarities of quantum signal exchange calls for additional studies. We discuss how to model such links using modern techniques and study their performance in different weather conditions. The usual assumption of an all-powerful adversary in quantum cryptography is very general but also unreasonably over-pessimistic in some cases. We studied techniques to bound the efficiency with which an adversary can tamper on a satellite-based quantum channel and analysed how this information can lead to higher rates in a cryptographic protocol. The feasibility and effectiveness of satellite-to-ground quantum key distribution have been experimentally proven, but the potential of this technology goes far beyond that. We present and study a satellite-based scheme to distribute entanglement over global distances, by means of quantum repeaters, using a small number of intermediate nodes. Such configurations might be a candidate building block for a future global quantum network. The promising field of satellite quantum communication is attracting enormous interest in universities and institutions. The integration of satellite links with metropolitan fibre-based networks can be envisaged to represent the backbone of the future quantum internet. Quanten Technologien haben das Potenzial revolutionäre Verbesserungen über derzeitige klassische Technologien zu erzielen. Die technischen Herausforderungen, die mit ihnen einher gehen, machen ihre Übersetzung aus dem Labor hin zu echten Anwendungen jedoch sehr mühsam. Aus diesem Grund ist eine gründliche theoretische Analyse von dem, was mit Quanten Technologien erzielt werden kann, sowohl im Idealfall als auch in Anwendungen vor Ort, zwingend erforderlich. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit Satelliten-\newline basierter Quantenverschlüsselung. In diesem kürzlich entwickeltem Forschungsfeld werden optische Verbindungen zwischen Satelliten und Bodenstationen benutzt um Quanteninformation mittels schwacher Lichtstrahlen zu verteilen. Solche Information kann, durch spezifische Protokolle, in einen geheimen und an alle Partien verteilten Schlüssel umgewandelt werden. Diese Resource ist heutzutage sehr wertvoll, da die meiste Information, die über das Internet verteilt wird, verschlüsselt ist. Wie wir in den folgenden Paragraphen kurz erläutern, werden drei Hauptaspekte der Satelliten-basierten Quantenkommunikation in dieser Doktorarbeit angesprochen, alle von großem Interesse für die Weiterentwicklung des Felds. Satelliten-basierte Verbindungen werden, wie jeder andere athmosphärische optische Kanal, stark durch Wetterbedingungen beeinflusst. Dieses Problem ist seit Jahrzehnten in der klassischen Kommunikation wohlbekannt, aber die Eigenheiten eines Quantensignalaustauschs fordern weitere Studien. Wir diskutieren wie solche Verbindungen unter Verwendung moderner Techniken modelliert werden können, und erforschen ihre Leistung in verschiedenen Wetterbedingungen. Die üblichen Annahme eines allmächtigen Gegenspielers in der Quantenverschlüsselung ist sehr allgemein, aber in manchen Fällen auch ungerechtfertigt übermäßig pessimistisch. Wir studieren Techniken um die Effizienz, mit der ein Gegenspieler einen Satelliten-basierten Quantenkanal manipulieren kann, abzuschätzen und analysieren wie diese Information zu höheren Raten in kryptographischen Protokollen führen kann. Die Umsetzbarkeit und Effizienz von Satelliten-zu-Boden Quantenverschlüsselung wurde experimentell demonstriert, aber das Potential dieser Technologie geht weit darüber hinaus. Wir präsentieren und studieren einen Satelliten-basierten Plan, um Verschränkung mittels Quantenrepeatern über globale Distanzen zu verteilen, wobei eine kleine Zahl vermittelnder Knoten benutzt wird. Solche Konfigurationen könnten ein Kandidat für Bausteine eines zukünftigen globalen Quantennetzwerks sein. Das vielverprechende Feld der Satelliten-basierten Quantenkommunikation zieht enormes Interesse an Universitäten und Institutionen auf sich. Die Integration Satelliten-basierter Verbindungen mit städtischen faserbasierten Netzwerken kann als Rückgrat des zukünftigen Quanteninternets in Betracht gezogen werden.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	12.07.2021
Dateien geändert am:	12.07.2021
Promotionsantrag am:	25.03.2021
Datum der Promotion:	01.06.2021