title: Quantum key distribution against extreme noise effect using high dimensional entanglement with MUB
Creators: name: Unglaub, Thomas
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Es gibt tausende von publizierten wissenschaftlichen Arbeiten die sich mit QKD Protokolle beschäftigen und wie man im Zusammenhang mit der Verwendung von Quanten Kommunikation die Entfernung von Quantenkanälen erweitert. Anhand dieser Unzahl an veröffentlichten Arbeiten kann man sehen, wie dieser Themenbereich mehr und mehr an Relevanz in unserem Alltag gewinnt. Dabei steht dieses, noch relativ junge Themenbereich, erst an den Anfängen. Eine wissenschaftliche Arbeit welches einen neuen Weg von Quantenschlüsselaustausch geht und wie man große Entfernungen überbrücken kann wurde von Mirdit Doda et al. in seiner Arbeit "Quantum Key Distribution Overcoming Extreme Noise: Simultaneous Subspace Coding Using High-Dimensional Entanglement" eröffentlicht. In seiner Arbeit verwendet er höher dimensionale Verschränkung um Unterräume zu schaffen in welche Alice und Bob einen Quantenzustand bearbeiten, senden und messen können. In dieser Masterarbeit werden die Ergebnisse von dem Paper von Mirdit Doda et al. rekapituliert und ein tieferes Verständnis warum dieses Protokoll funktioniert wird gegeben. Zum zweiten und der Hauptteil dieser Masterarbeit, eine Verbesserung des QKD Protokolls wird vorgestellt und mathematisch hergeleitet. Dabei werden zwei Methoden für das theoretische Konstrukt des QKD Protokolls verwendet. Zuerst das sehr bekannte 'self-test scenario'. Im Gegensatz zu Mirdit Dodas et al. Arbeit führt diese Methode jedoch zu einer Verschlechterung des Protokolls. Deswegen werden 'mutual unbiased bases' als Messungen eingeführt, welches eine Verbesserung des Protokolls mit extremen Quantenrauschen zeigt.
description: There are thousands of published papers dealing with QKD protocols and how to extend the distance of a quantum channel in order to use it for quantum communication. In the high number of published papers, one can see how this topic is getting more relevant to society, even now when quantum communication is still at its beginning stage. One paper introducing a new approach to quantum key distribution and how to overcome large distances was published by Mirdit Doda Doda et al "Quantum Key Distribution Overcoming Extreme Noise: Simultaneous Subspace Coding Using High-Dimensional Entanglement" \cite{doda2020qkd}. During his research, he used high dimensional entanglement to create subspaces where Alice and Bob could prepare, send and measure quantum states. In this master thesis, Doda's results will be recapitulated and a deeper understanding of why his protocol works will be given. Secondly and most importantly, a focus will be laid on improving the QKD protocol. Two methods came up which could be applied to the theoretical construct of the high dimensional entanglement protocol. First, the well-known self-test scenario will be undertaken. In contrast to Mirdit Doda's paper, it will be shown that the self-test scenario does not improve the QKD protocol. Therefore, a mutually unbiased basis will be utilised for the measurement which has demonstrated an improvement of the QKD protocol against extreme noise.