Quantum Communication Beyond Qubits

Traditionell basieren Quantenkommunikation und insbesondere die Quantenschlüsselverteilung (QKD) auf Zwei-Niveau-Quantensystemen, sogenannten Qubits, und sind darauf ausgelegt, eine sichere Verbindung zwischen zwei Parteien herzustellen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Quantenkommunikation jenseits von Qubits und untersucht dabei sowohl hochdimensionale Protokolle als auch Szenarien mit mehr als zwei Teilnehmern. Der erste Teil dieser Arbeit entwickelt ein flexibles Sicherheitsbeweisframework für hochdimensionale (HD) QKD-Protokolle sowohl im asymptotischen als auch im sogenannten finite-size-Regime. Anstatt theoretisch bequemer, aber experimentell auf vielen Plattformen nicht realisierbarer Mutually Unbiased Bases - Messungen nützt unser Sicherheitsbeweisframework vergleichsweise einfach durchzuführende Messungen. Wir analysieren die Sicherheit eines allgemeinen HD-QKD-Protokolls gegen unabhängig und identisch verteilte kollektive Angriffe als auch gegen kohärente Angriffe im finite-size Regime. Neben dem bewährten fixed-length Ansatz beweisen wir außerdem die Sicherheit des untersuchten Protokolls im Falle variabler Schlüssellängen, was sich in stark fluktuierenden Kanälen als großer Vorteil erweist. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit diskret modulierter (DM) Quantenschlüsselverteilung mit kontinuierlichen Variablen - einem Kandidaten, der eine effiziente Implementierung in urbanen Netzwerken mit hohen Raten verspricht. Wir wenden zum ersten Mal einen s.g. composable finite-size Sicherheitsbeweis gegen kollektive Attacken rigoros auf ein vollständig implementiertes experimentelles Setup an und demonstrieren die Erzeugung eines sicheren Schlüssels über einen 20 km Glasfaserlink. Außerdem entwickeln wir ein Sicherheitsbeweisframework für DM CV-QKD in passiven optischen Netzwerken - einer gängigen Topologie in modernen Telekommunikationsnetzwerken - zwischen mehreren Teilnehmern und diskutieren verschiedene Szenarien. Zum Abschluss setzen wir ein passiv-optisches Netzwerk mit drei Teilnehmern um, wenden unser Sicherheitsbeweisargument darauf an und demonstrieren dabei finite-size Security.