Quantenkommunikation: Auf den „Missklang“ kommt es an

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät verleiht 98 Doktortitel und prämiert beste Dissertation des Jahres 2013

07.02.2014 – In „Quanten“ kann die Zukunft sowohl neuer Höchstleistungscomputer als auch besonders sicherer und leistungsfähiger Kommunikationssysteme liegen. Der Schlüssel hierfür sind die sogenannten „Quantenkorrelationen“, die der theoretische Physiker Dr. Alexander Streltsov in seiner Doktorarbeit untersuchte. Für seine Grundlagenerkenntnisse wurde er auf der Promotionsfeier der Mathematisch-Naturwissenschaft­lichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ausgezeichnet.

Schon das Grundprinzip eines Quantencomputers ist schwer eingängig: Arbeiten herkömmliche Computer mit klassischen Bits (also 0 und 1), so verarbeiten Quantencomputer auch Zwischenzustände – Überlagerungen, so genannte Superpositionen dieser klassischen Zustände (Qbit). Gerade hieraus resultiert ihre enorme Rechenleistung: Während der klassische Computer nach und nach verschiedene Kombinationen der Bits abarbeitet, verrechnet ein Quantencomputer auf einen Schlag aufgrund der Überlagerung alle möglichen Bitkombinationen. Diese Stärke spielen Quantencomputer zum Beispiel bei der Faktorisierung aus, wie die Zerlegung einer Zahl in ein Produkt von Primzahlen. Technisch lassen sich Qbits zum Beispiel mit polarisierten Photonen (Lichtquanten) realisieren.

Eine entscheidende Rolle dabei spielen die Beziehungen zwischen verschiedenen Qbits, die allgemein als „Quantenkorrelationen“ bezeichnet werden. In seiner Dissertation „The role of quantum correlations beyond entanglement in quantum information theory “ befasste sich der Physiker Dr. Alexander Streltsov mit zwei besonderen Formen von Quantenkorrelationen, der „Verschränkung“ und dem „Missklang“ (englisch „Quantum Discord“). Verschränkte Qbits beeinflussen sich auch über größere Entfernungen hinweg und können deshalb unter anderem dazu genutzt werden, Kommunikation vor dem Abhören zu schützen: Wird eines der Qbits „abgehört“, verändert dies augenblicklich auch das mit ihm verschränkte Qbit an einem anderen Ort – der Lauscher ist enttarnt.

Streltsov fragte sich unter anderem, wie solch eine Verschränkung zwischen zwei Teilchen hergestellt wird, und insbesondere, welche physikalische Größe dabei zwischen den Teilchen ausgetauscht wird. Diese seit Jahren offene Frage ist von großer Bedeutung, weil zwei Teilchen sogar dann verschränkt werden können, wenn zwischen ihnen keine Verschränkung ausgetauscht wird. In seiner Dissertation beantwortete Streltsov diese Frage: der Transport von Quantum Discord stellt die Verschränkung her. Discord spielt sowohl für die überragenden Rechenleistungen der Quantencomputer als auch für die Informationsübertragung die entscheidende Rolle.

Die Forschungsergebnisse von Dr. Alexander Streltsov sind ein wichtiger Schritt für das Verständnis von Quantenkommunikation. Für seine Arbeit erhielt er die Auszeichnung „Beste Dissertation in der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät 2013“.

98 Promotionen seit September 2013

Am 7. Februar 2014 erhielten 40 Nachwuchswissenschaftlerinnen und 58 Nachwuchswissenschaftler im Rahmen der Promotionsfeier der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät ihren Doktortitel. Das größte Kontingent stellten die Biologen (52), gefolgt von den Chemikern (20), Pharmazeuten (9), Informatikern (7), Physiker (7), Psychologen (2) und einem Mathematiker. Der Kreis der Promovierten ist international: Sie kommen aus Deutschland, Russland, Spanien, Griechenland, Italien, China, Vietnam, Taiwan, Ukraine, Polen, Marokko, England, Indien und der Schweiz.

Prodekan Prof. Dr. Martin Mauve führte durch die Veranstaltung und übergab die Urkunden an die frisch Promovierten. Er zeigte sich sehr beeindruckt von den wissenschaftlichen Leistungen der jungen Nachwuchswissenschaftler: „Der Weg bis zum Doktortitel ist kein leichter – man braucht Kreativität, um unbekannte Probleme zu lösen, Disziplin, um sein Ziel im Auge zu behalten und eine hohe Frustrationstoleranz, um sich von Fehlschlägen nicht entmutigen zu lassen. Sie alle haben diesen Weg mit Bravour gemeistert und haben sich damit für eine erfolgreiche Karriere qualifiziert.“

Bei der Promotionsfeier wurden traditionell auch wieder die schönsten und kreativsten Doktorhüte und Doktorwagen gekürt.

Dr. Alexander Streltsov

Alexander Streltsov, im Jahr 1983 in Taganrog in Russland geboren, studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (Diplom 2009). Er promovierte anschließend am Institut für Theoretische Physik III bei Prof. Dr. Dagmar Bruß. Seine Arbeit „The role of quantum correlations beyond entanglement in quantum information theory “ wurde im Juni 2013 mit der Bestnote ‚summa cum laude‘ bewertet. Während seiner Promotion verbrachte er unter anderem im Jahr 2012 einen Forschungsaufenthalt am Los Alamos National Laboratory in den USA. Seit November 2013 arbeitet er als Postdoc am Institute of Photonic Sciences im spanischen Castelldefels in der Nähe von Barcelona. Darüber hinaus wird er seit dem Dezember 2013 mit einem Feodor Lynen-Forschungsstipendium für Postdoktoranden der Alexander von Humboldt-Stiftung gefördert.

Streltsovs Forschungsfeld ist die Quanteninformationstheorie, hier insbesondere die Quantenverschränkungen. Diese sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von Quantencomputern, die für bestimmte Aufgaben herkömmlichen Computern weit überlegen sind. Er veröffentlichte bereits acht Artikel in Fachzeitschriften, allein fünf davon in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters.

Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Kommunikation

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Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist seit 1965 die Universität der Landeshauptstadt und eine feste Größe in der deutschen Hochschullandschaft.

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