Authors:	Schmidt, Frank
Advisor:	van Loock, Peter
Title:	Repeater-based quantum communication with advanced optical encoding
Online publication date:	4-Jan-2024
Year of first publication:	2024
Language:	english
Abstract:	Quantenkommunikation ermöglicht es Nachrichten informationstheoretisch beweisbar sicher zu verschlüsseln, wobei die Datenübertragungsraten über große Distanzen durch Verlusteund Fehler stark reduziert sind. Diese niedrigen Übertragungsraten können durch den Einsatz von Quantenrepeatern, die die Gesamtdistanz in mehrere kleine Teildistanzenaufteilen, verbessert werden. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Ansätze von Quantenrepeatern untersucht. Bezüglich speicherbasierter Quantenrepeater schlagen wir ein neues Schema vor, das auf der Interferenz einzelner Photonen basiert und durch das kürzlich vorgestellte Twin-field Quantenschlüsselaustauschprotokoll inspiriert wurde. Außerdem werden erreichbare Datenübertragungsraten geheimer Schlüssel, die bereits mit kleinen Quantenrepeatern auf unterschiedlichen physikalischen Plattformen erzielt werden können, auf Grundlage von experimentell vorgegebenen Parametern berechnet. Des Weiteren werden auch größere Quantenrepeater untersucht, wobei wir das Dephasieren der Quantenspeicher exakt berechnen. Damit werden dann auch Übertragungsraten geheimer Schlüssel für verschiedene speicherbasierte Quantenrepeater berechnet und miteinanderverglichen. Bezüglich des alternativen Ansatzes eines Quantenrepeaters basierend auf Quantenfehlerkorrekur stellen wir zunächst eine experimentell einfachere Möglichkeit, die auf linearer Optik beruht, vor, um das Fehlersyndrom eines GKP Codes zu bestimmen.Diese Methode führt zusätzlich zu geringeren Fehlerraten und wir diskutieren auch Grenzen der linearen Optik. Schlussendlich wenden wir diese Methoden im Kontext eines auf GKP Qudits basierenden Quantenrepeaters an. Dabei zeigt sich, dass es für in der näheren Zukunft experimentell sinnvolle Parameter besser ist GKP Qubits anstatt höherdimensionaler GKP Qudits zu nutzen. Quantum communication makes it possible to encrypt messages providing informationtheoretic security, but suffers from a large decrease of the transmission rate for larger distances due to loss and errors. These low rates can be increased by employing quantum repeaters which divide the total distance into multiple smaller segments and this thesis deals with two different approaches for such quantum repeaters. Regarding quantum repeaters employing memories we propose a new scheme based on single-photon interference inspired by the recently discovered twin-field quantum key distribution protocol. Furthermore, we calculate secret-key rates obtainable in small-scale repeaters with different physical platforms using realistic parameters obtained from experimentalists and we also perform an analysis for larger repeaters where we calculate the memory dephasing exactly and compare secret-key rates for different memory-based repeater proposals. Concerning the repeater approach employing solely quantum error correction we propose experimentally simpler methods of obtaining the error syndrome for GKP codes based on linear optics also leading to an improved performance and we also discuss limitations of linear optics. We then apply these methods of GKP error correction to a repeater employing GKP qudits. There we find that for experimentally reasonable parameters in the near future it is better to use GKP qubits instead of high-dimensional GKP qudits.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9772
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-bbf18b4f-2614-41b6-a0b2-d0758e1670ae8
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	Getrennte Zählungen ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen