Väitös tietoliikennetekniikan alalta, M.Sc. Hany Khalifa

Väitöskirjan nimi: Microwave quantum communications: new approaches to sensing and mitigation of the bosonic pure-loss channel

Tohtoriopiskelija: Hany Khalifa
Vastaväittäjät: Prof. Matti Silveri, Oulun yliopisto
Kustos: Prof. Riku Jäntti, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, informaatio- ja tietoliikennetekniikan laitos

Kvanttilomittuminen mahdollistaa monia teknisiä ratkaisuja, joille ei ole klassista vastinetta. Näihin kuuluvat kvantti-illuminaatio (QI), pitkän matkan kvanttiyhteydet ja kvanttiavainten jakaminen (QKD), jotka ovat kaikki kriittisiä odotetun kvantti-internetille. 

Lomittuneet kvanttitilat ovat kuitenkin hauraita ja herkkiä kohinalle ja häviöille. Tästä huolimatta kvanttilomittuneen lähteen ainutlaatuisesti parannettu signaali-kohina-suhde (SNR) säilyy, edellyttäen, että luotujen lomittuneiden järjestelmien energia on erittäin alhainen. Mikroaaltotaajuuden fotonien energia on pieni ja ympäristön kohina on suurta, mikä tekee siitä soveltuvan alustan edellä mainituille sovelluksille. 

Tämä väitöskirja ehdottaa uusia menetelmiä ja tekniikoita mikroaaltotaajuuden kvanttiyhteyksien todentamiseksi kohinan ja häviöiden läsnä ollessa, ilman tarvetta yksittäisfotoninilmaisimille (SPDs), joiden toteuttaminen on nykyteknologialla haastavaa. Tämän työn keskiössä on kvantti-illuminaatiolla parannettu havaitseminen sekä yksittäisfotonin suojaus passiivisia bosonisia häviöitä vastaan. 

Soveltamalla uutta ohjattua EI-porttia (controlled-not, CNOT) QI-vastaanottimen toteutukseen, tämä väitöskirja osoittaa, että mikroaaltotaajuuden QI voidaan toteuttaa käyttämällä havaitsemisketjua, joka koostuu kaksoisporttisista homodyynihavaittimista ja spektrianalysaattoreista. Lisäksi verrattuna muihin QI-vastaanottimiin, CNOT-pohjainen vastaanotin saavuttaa merkittävästi parannetun suorituskyvyn ja saavuttaa optimaalisen kvanttiedun minkä tahansa QI-vastaanottimen osalta. 

Passiivisten bosonisten häviöiden vaikutusten lieventämiseksi tämä väitöskirja ehdottaa toista uutta laitetta, yksisuuntaista kohinatonta lineaarista vahvistinta (NLA). Toisin kuin sen optinen vastine, mikroaaltotaajuuden yksisuuntainen NLA ei perustu SPDs. Sen sijaan siinä käytetään ei-tuhoavia kvanttimittauksia (QND), jotka voidaan toteuttaa mikroaaltotaajuuksilla käyttäen tunnettuja komponentteja. Lisäksi yksisuuntaisen NLA on virhetolerans, mikä on ominaisuus, joka ei ole olemassa perinteisissä optisissa NLA-laitteissa. Laite osoittaa erinomaista kykyä luoda etälomittumista, valmistella resursseja offline-tilassa QI varten sekä tuottaa etäisiä salaisia avaimia. Lopuksi molemmat laitteet voidaan toteuttaa piirikvanttielektrodynamiikan (cQED) laitteilla. 

Vaikka tämä väitöskirja keskittyy mikroaaltojen kvanttiviestintään, tässä esitetyt ideat ovat abstrakteja ja voidaan toteuttaa myös optisella alueella.

Avainsanat: Kvantti-illuminaatio (QI), kohinatonta lineaarista vahvistinta (NLA), controlled-not (CNOT) portti, CNOT-kvanttivalaisu, yksisuuntainen kohinaton lineaarivahvistin.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Sähkötekniikan korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/53