Laut deutschen Forschern
der Max-Planck-Gesellschaft wird das globale Quantennetzwerk in den nächsten Jahren implementiert. Wir werden Ihnen sagen, welche Schwierigkeiten es gibt.
/ Flickr / mike seyfang / ccWas sind Quantennetzwerke?
Ein Quantennetzwerk ist ein Datenübertragungssystem, das nach den Gesetzen der Quantenmechanik arbeitet. In solchen Netzwerken werden Daten über Qubits ausgetauscht. Dies sind polarisierte Photonen, die über einen optischen Kommunikationskanal übertragen werden. Um globale Quantennetzwerke wie das Internet für den gesamten Planeten bereitzustellen, müssen Entwickler und Forscher eine Reihe von Schwierigkeiten lösen. Eine gewisse Schwierigkeit ist beispielsweise die Übertragung von Photonen über große Entfernungen aufgrund ihrer "Fragilität". Wir werden später mehr über dieses und andere Probleme sprechen, aber zuerst wollen wir darüber sprechen, warum Quantennetzwerke überhaupt geschaffen werden sollten.
Wie können sie nützlich sein?
Das Phänomen der Quantenverschränkung verbindet Quantenteilchen so, dass wir bei der Messung der Eigenschaften eines von ihnen automatisch die Eigenschaften des zweiten erkennen. Darüber hinaus bleibt diese Verbindung auch bei großen Entfernungen bestehen.
Wenn Sie eine Verbindung zwischen zwei Punkten herstellen, können Sie an den beiden Enden Folgen von Zufallszahlen generieren. In der Kryptographie wird diese Funktion zum Generieren von Verschlüsselungsschlüsseln verwendet.
Ein weiterer Vorteil von Quantennetzwerken ist die Unfähigkeit, gesendete Photonen zweimal zu lesen. Die Gesetze der Quantenmechanik verbieten das "Klonen" des Zustands von Lichtteilchen. Wenn
ein Qubit
abgefangen wird , ändert es seinen Wert. Es stellt sich heraus, dass Angreifer beim Versuch, einen Datenübertragungskanal zu „belauschen“, keine wertvollen Informationen extrahieren können. Am Ausgang erhalten sie einen zufälligen Satz von Zahlen.
Quantennetzwerke sind somit ein nahezu absoluter kryptografischer Schutz. Fast absolut, da Wissenschaftler aus Schweden bewiesen haben, dass es
immer noch möglich ist, ein solches Netzwerk
zu „belauschen“. Simulieren Sie dazu eine Quantenchiffre. Photonendetektoren ignorieren unpolarisierte Lichtteilchen, die als Nullen bezeichnet werden. Wenn Sie diese Nullen zu einem bestimmten Zeitpunkt simulieren und an den Empfänger senden, berücksichtigt er das Signalquantum (obwohl dies nicht der Fall ist).
Sie können das Problem lösen, müssen jedoch die Prinzipien der Empfänger ändern. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Indikator für die Signalstärke hinzuzufügen (da sich dieser bei externen Eingriffen ändert). Dies erhöht jedoch die Kosten für das Scannen von Quantennetzwerken.
Warum ist es schwierig
Die „Fragilität“ von Qubits, die die Quantenkommunikation zuverlässig macht, bringt auch Nachteile mit sich. Einzelne Photonen ändern ihren Zustand oder werden aufgrund von Interferenzen einfach vom Medium absorbiert. Aus diesem Grund kann es schwierig sein
, ein Quant über ein Glasfaserkabel über eine Entfernung von über 100 km zu übertragen.
/ Flickr / Alexandre Delbos / CCJetzt werden Faserquantennetzwerke mit Repeatern aufgebaut. Sie dekodieren die Informationen, kodieren sie erneut und übertragen sie an andere Knoten in einer Kette. Auf diese Weise ermitteln Vermittler jedoch auch den Inhalt der Nachricht, was zu einem Leck führen kann, wenn einer von ihnen kompromittiert wird. Es gibt ein Problem mit den Kosten - solche Repeater verwenden
teure Magnete und seltene Mineralien .
Es ist wichtig, die Umgebung zu berücksichtigen, in der diese Netzwerke bereitgestellt werden. Es gibt einen signifikanten Unterschied zwischen Labor- und Kampfbedingungen. In der Stadt sind Glasfaserkabel von Temperaturänderungen betroffen. Dies kann zu Phasenverschiebungen des Photons führen und Fehler bei der Datenübertragung verursachen.
Die Lösung des Problems der Übertragung über große Entfernungen ermöglicht eine Quantenteleportation. Forscher können optional zwei Qubits in einen Zustand der Quantenverschränkung einführen. Ein Projekt der Technischen Universität Delft in den Niederlanden
ist an einem solchen Projekt beteiligt. Forscher bauen ein zehn Kilometer langes Quantennetz zwischen der Stadt Delft und Den Haag auf.
Solche Technologien befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Tatsache ist, dass es aufgrund der zerstörerischen Wirkung (
Dekohärenz genannt ), die die Umgebung auf Quanten hat, schwierig ist, die „Verbundenheit“ über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Es ist möglich, den Zustand der Quantenverschränkung für den Bruchteil einer Sekunde aufrechtzuerhalten.
Wo kann ich Quantennetzwerke verwenden?
Wie bereits erwähnt, sind Quantennetzwerke sehr widerstandsfähig gegen Abhören. Daher können Sie damit zuverlässige Verteilungssysteme für kryptografische Schlüssel erstellen. Solche Technologien existieren bereits. Beispielsweise hat China Anfang des Jahres
ein Verteilungssystem für kryptografische Schlüssel eingeführt, bei dem Daten über Satelliten und Laserstrahlen übertragen werden. Ein ähnliches System wurde
von deutschen Forschern
vorgeschlagen .
Außerdem
müssen Quantennetzwerke Quantencomputer in Netzwerke integrieren. Von Clustern von Quantenmaschinen wird erwartet, dass sie physikalische und chemische Simulationen beschleunigen, beispielsweise bei der Entwicklung neuer Medikamente.
Es gibt auch Fälle außerhalb der Wissenschaft, wie zum Beispiel Abstimmungen. Ein solches Projekt wurde in der Schweiz umgesetzt - vor einigen Jahren
half das CERN
bei der Organisation eines Quantennetzwerks für Wahlen. Laut Experten des Harvard-Smithsonian-Zentrums für Astrophysik ermöglichen Quantennetzwerke neben der Zuverlässigkeit die Implementierung neuer strategischer Abstimmungsschemata, die heute nicht verfügbar sind. Zum Beispiel können Personen nicht einen Kandidaten, sondern zwei gleichzeitig auswählen (die zweite Option).
An der Entwicklung von Quantennetzwerken sind viele Institutionen und Organisationen beteiligt. Daher sind in letzter Zeit immer mehr solcher Projekte erschienen. In unseren nächsten Materialien zu Habré werden wir über ausländische und russische Entwicklungen in diesem Bereich berichten.
PS Was schreiben wir noch auf dem Unternehmensblog von VAS Experts:
PPS Einige neue Artikel aus unserem Blog über Habré: