Im
letzten Artikel haben wir über die Perspektiven von Quantennetzwerken und die Herausforderungen gesprochen, denen sich ihre Entwickler gegenübersehen. Heute werden wir Ihnen sagen, an welchen Projekten in- und ausländische Forscher arbeiten. Wenn Sie sich für dieses Thema interessieren, laden wir Sie zur Katze ein.
/ Flickr / Groman123 / CC BY-SAWo und warum werden Quantennetzwerke benötigt?
Der Datenaustausch in Quantennetzwerken erfolgt mit polarisierten Photonen, sogenannten Qubits. Solche Netzwerke können nicht "abgehört" werden, da Qubits sehr zerbrechlich sind und sich beim Lesen im Wert ändern. Infolgedessen können Parteien, die Daten über sichere Kanäle austauschen, einen MITM-Angriff sofort identifizieren. In diesem Fall erlaubt das Phänomen der Quantenverschränkung, etwas über die Änderung der Eigenschaften von Quantenteilchen in der Ferne zu lernen. Mit dieser Funktion können an zwei Punkten gleichzeitig Zufallszahlen generiert werden.
Aus diesen Gründen haben Quantennetzwerke Anwendung in Verteilungs- und Generierungssystemen für kryptografische Schlüssel gefunden.
Ausländische Entwicklungen
Die Entwicklung quantenkryptografischer Schlüsselverteilungssysteme wird von vielen europäischen Ländern sowie den USA, China und anderen Ländern durchgeführt.
Der erste Arbeitsentwurf des Quantennetzwerks wurde bereits 2001 von DARPA (US Department of Defense Office) entwickelt. Es wurde von denselben Organisationen erstellt, die zuvor an der Implementierung von ARPNET beteiligt waren. Jetzt wird das Quantennetzwerk in Massachusetts eingesetzt, wo es mehrere wissenschaftliche und militärische Organisationen verbindet.
Einige Zeit später erschienen die ersten kommerziellen Lösungen auf dem Gebiet der Quantenkryptographie. Im Jahr 2002 debütierte das Navajo-System von
MagiQ Technologies , das von der NASA verwendet wird. Das System verwendet das
BB84- Quantenschlüsselverteilungsprotokoll. Dieses Protokoll setzt voraus, dass die kommunizierenden Knoten zwei Verbindungen haben: Glasfaser (Quanten), über die die Kryptoschlüssel ausgetauscht werden, und eine klassische Internetverbindung für die Datenübertragung. Dieser Ansatz wird heute verwendet.
Zu Beginn der 2000er Jahre arbeiteten europäische Forscher auch an Quantenkryptographietechnologien. Ein Beispiel wäre das
SECOQC- Projekt, das zur Wahrung der staatlichen Sicherheit der EU-Länder ins Leben gerufen wurde. 2004 hat die EU 11 Millionen Euro in das Projekt investiert und 2008 wurde das Netzwerk in Wien gestartet.
Zu dieser Zeit war das Hauptproblem, auf das die Forscher stießen, die Schwierigkeit, verwickelte Qubits über große Entfernungen zu übertragen. Insbesondere die Länge des MagiQ-Quantennetzwerks war auf 30 Kilometer begrenzt.
Der Einfluss der äußeren Umgebung zerstört Quanten (der Effekt wird Dekohärenz genannt ). Dieser Effekt ist auch der Grund für die Schwierigkeit, den "verschränkten" Zustand von Quantenteilchen langfristig beizubehalten.
Heute werden aktiv Entwicklungen durchgeführt, die diese Schwierigkeit angehen. Insbesondere Mitarbeiter des Delfter Instituts in den Niederlanden
arbeiten an Repeatern , die zur Erweiterung der Netzwerke beitragen sollen. Um Tests durchzuführen, legten sie ein zehn Kilometer langes Quantennetz zwischen der Stadt Delft und Den Haag. Später - bis 2020 - sollen vier europäische Städte miteinander verbunden werden.
Einige Länder arbeiten auch an der Implementierung von Verteilungssystemen für quantenkryptografische
Satellitenschlüssel . Zum Beispiel haben chinesische Ingenieure im vergangenen Jahr die erste
Quantenteleportation in der Geschichte durchgeführt,
als sie Daten aus dem Weltraum übertragen haben .
Photonen wurden mit Lasern auf den Boden ausgestrahlt. Um den Effekt der Dekohärenz auf übertragene Quantenteilchen zu verringern, wurde der Satellit in eine Umlaufbahn von 500 Kilometern gestartet. Somit überwinden leichte Partikel einen signifikanten Teil des Weges im Vakuum. Gleichzeitig wurde der Einfluss der Atmosphäre durch die Platzierung der Empfangsstation auf einer Höhe von vier Kilometern über dem Meeresspiegel in Tibet verringert. Anfang dieses Jahres nutzten Mitarbeiter der Pekinger Akademie der Wissenschaften den Satelliten, um Quantentelekonferenzen durchzuführen.
/ Flickr / Jeremy Atkinson / CC BYWie geht es dir in Russland?
Auch in Russland werden Experimente mit Quantennetzwerken und der Verteilung von Quantenschlüsseln durchgeführt. Es wird angenommen, dass das erste Quantennetzwerk in unserem Land (oder besser gesagt die Linie) von Forschern der ITMO-Universität zwischen den beiden Gebäuden der Universität verlegt wurde.
Einige Jahre später starteten dieselben Spezialisten zusammen mit Kollegen vom Kazan Quantum Center das erste
Quantennetzwerk mit mehreren Knoten in der Russischen Föderation. Insgesamt gab es vier Knoten, die sich in einem Abstand von 40 km voneinander befanden. Die Forscher arbeiten derzeit daran, ein Netzwerk von Kasan nach Naberezhnye Chelny
aufzubauen, und verhandeln mit
Finanzinstituten, die daran interessiert sind, die Technologie für die Implementierung verschlüsselter Kommunikation anzupassen.
Ein weiteres Entwicklungsbeispiel: 2016 legten Physiker des Russian Quantum Center (RCC) das erste Quantennetzwerk der Stadt an. Glasfaserkabel erstreckten sich zwischen zwei 30 Kilometer voneinander entfernten Bankfilialen in Moskau. Jetzt arbeiten Experten des RCC an einer 250 Kilometer langen Quantenkommunikationsleitung. Es wird zwischen dem Büro des RCC, dem Skolkovo-Technologiepark und dem Rechenzentrum der Sberbank verkehren. Das Netzwerk wird in zehn Abschnitte mit einer Länge von 80 Kilometern unterteilt. In einigen Abschnitten des Netzwerks ist geplant, Daten mit Infrarotlasern zu übertragen.
Es ist zu erwarten, dass Projekte, die jetzt von finanziellen, wissenschaftlichen und staatlichen Institutionen gesponsert werden, letztendlich die Organisation größerer Quantennetzwerke ermöglichen werden.
Was schreiben wir noch auf dem Blog der VAS Experts-Website: