Der Aufbau eines Quanteninternets ist für viele Länder auf der ganzen Welt ein wichtiges Ziel. Ein solcher Durchbruch wird ihnen einen Wettbewerbsvorteil in einer vielversprechenden disruptiven Technologie verschaffen und eine neue Welt voller Innovationen und unbegrenzter Möglichkeiten eröffnen.
Kürzlich hat das US-Energieministerium (DoE) den ersten Entwurf seiner Art veröffentlicht, der eine Schritt-für-Schritt-Strategie zur Verwirklichung des Quanten-Internet-Traums darlegt. Das Hauptziel ist es, es unempfindlich gegen Cyber-Hacking zu machen. Es wird „unsere gesamte Lebensweise metamorphosieren“, sagt das Energieministerium. Es wird erwartet, dass dem Projekt fast 625 Millionen US-Dollar an Bundesmitteln zugewiesen werden.
Ein Quanteninternet wäre in der Lage, große Datenmengen über immense Entfernungen mit einer Geschwindigkeit von über Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. Sie können sich alle Anwendungen vorstellen, die von dieser Geschwindigkeit profitieren können.
Herkömmliche Computerdaten sind entweder in Nullen oder Einsen codiert. Quanteninformationen werden gleichzeitig in Nullen und Einsen überlagert. Akademiker, Forscher und IT-Experten müssen Geräte für die Infrastruktur des Quanten-Internets entwickeln, darunter: Quanten-Router, Repeater, Gateways, Hubs und andere Quanten-Tools. Basierend auf der Idee des Quanten-Internets wird eine ganz neue Branche entstehen, die parallel zu dem aktuellen Ökosystem von Unternehmen existiert, das wir im regulären Internet haben.
Das „traditionelle Internet“, wie das normale Internet manchmal genannt wird, wird es weiterhin geben. Es wird erwartet, dass sich große Organisationen zum Schutz von Daten auf das Quanteninternet verlassen werden, einzelne Verbraucher jedoch weiterhin das klassische Internet nutzen werden.
Experten gehen davon aus, dass der Finanzsektor bei der Absicherung von Online-Transaktionen vom Quanteninternet profitieren wird. Auch der Gesundheitssektor und der öffentliche Sektor werden davon profitieren. Quantencomputing bietet nicht nur ein schnelleres und sichereres Interneterlebnis, sondern wird Unternehmen auch besser in die Lage versetzen, komplexe Probleme wie das Lieferkettenmanagement zu lösen. Darüber hinaus wird es den Austausch riesiger Datenmengen beschleunigen und groß angelegte Sensorexperimente in Astronomie, Materialforschung und Biowissenschaften durchführen.
Aber lassen Sie uns zunächst einige grundlegende Begriffe der Quantenwelt erklären: Quantencomputing ist das Studiengebiet, das sich auf die Entwicklung von Computertechnologie auf der Grundlage der Prinzipien der Quantentheorie konzentriert. Der Quantencomputer, der den Gesetzen der Quantenphysik folgt, würde durch die Fähigkeit, in mehreren Zuständen zu sein und Aufgaben mit allen möglichen Permutationen gleichzeitig auszuführen, eine enorme Rechenleistung gewinnen.
EIN VERGLEICH VON KLASSISCHEM UND QUANTUM COMPUTING
Klassisches Computing beruht auf seiner ultimativen Ebene auf Prinzipien, die durch einen Zweig der Mathematik namens Boolesche Algebra ausgedrückt werden. Daten müssen zu jedem Zeitpunkt oder in Bits in einem exklusiven Binärzustand verarbeitet werden. Während die Zeit, die jeder Transistor oder Kondensator entweder in 0 oder 1 sein muss, bevor er den Zustand umschaltet, jetzt in Milliardstelsekunden messbar ist, gibt es immer noch eine Grenze, wie schnell diese Geräte in den Zustand geschaltet werden können. Wenn wir zu kleineren und schnelleren Schaltkreisen übergehen, stoßen wir an die physikalischen Grenzen von Materialien und die Schwelle für die Anwendung klassischer Gesetze der Physik. Darüber hinaus übernimmt die Quantenwelt.
In einem Quantencomputer können eine Reihe von Elementarteilchen wie Elektronen oder Photonen verwendet werden, deren Ladung oder Polarisation als Darstellung von 0 und/oder 1 fungiert. Jedes dieser Teilchen wird als Quantenbit oder Qubit bezeichnet Natur und Verhalten dieser Teilchen bilden die Grundlage des Quantencomputings.
Quantensuperposition und -verschränkung
Die beiden wichtigsten Aspekte der Quantenphysik sind die Prinzipien der Superposition und der Verschränkung .
Überlagerung: Stellen Sie sich ein Qubit wie ein Elektron in einem Magnetfeld vor. Der Spin des Elektrons kann entweder mit dem Feld ausgerichtet sein, was als Spin-Up-Zustand bekannt ist, oder dem Feld entgegengesetzt, der als Spin-Down-Zustand bekannt ist. Nach dem Quantengesetz tritt das Teilchen in eine Überlagerung von Zuständen ein, in der es sich so verhält, als befände es sich gleichzeitig in beiden Zuständen. Jedes verwendete Qubit könnte eine Überlagerung von 0 und 1 annehmen.
Verschränkung: Partikel, die irgendwann interagiert haben, behalten eine Art Verbindung und können paarweise miteinander verschränkt werden, in einem Prozess, der als Korrelation bezeichnet wird. Wenn man den Spinzustand eines verschränkten Teilchens kennt – nach oben oder unten – kann man wissen, dass der Spin seines Partners in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Die Quantenverschränkung ermöglicht es Qubits, die durch unglaubliche Entfernungen getrennt sind, augenblicklich miteinander zu interagieren (nicht auf die Lichtgeschwindigkeit beschränkt). Egal wie groß der Abstand zwischen den korrelierten Teilchen ist, sie bleiben verschränkt, solange sie isoliert sind.
Zusammengenommen erzeugen Quantensuperposition und -verschränkung eine enorm gesteigerte Rechenleistung. Während ein 2-Bit-Register in einem gewöhnlichen Computer zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine von vier binären Konfigurationen (00, 01, 10 oder 11) speichern kann, kann ein 2-Qubit-Register in einem Quantencomputer alle vier Zahlen gleichzeitig speichern, weil jedes Qubit repräsentiert zwei Werte. Wenn weitere Qubits hinzugefügt werden, wird die erhöhte Kapazität exponentiell erweitert.
WAS IST QUANTUMINTERNET
Das Quanteninternet ist ein Netzwerk, das es Quantengeräten ermöglicht, Informationen innerhalb einer Umgebung auszutauschen, die die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik nutzt. Theoretisch würde dies dem Quanteninternet beispiellose Fähigkeiten verleihen, die mit den heutigen Webanwendungen nicht realisierbar sind.
In der Quantenwelt können Daten im Zustand von Qubits kodiert werden, die in Quantengeräten wie einem Quantencomputer oder einem Quantenprozessor erzeugt werden können. Und das Quanteninternet wird, vereinfacht gesagt, das Senden von Qubits über ein Netzwerk von mehreren physikalisch getrennten Quantengeräten beinhalten. All dies würde vor allem dank der wilden Eigenschaften geschehen, die für Quantenzustände einzigartig sind.
Das klingt vielleicht ähnlich wie im Standard-Internet. Aber das Senden von Qubits durch einen Quantenkanal anstelle eines klassischen Kanals bedeutet effektiv, das Verhalten von Teilchen auf ihrer kleinsten Skala – den sogenannten „Quantenzuständen“ – zu nutzen.
Es überrascht nicht, dass Qubits nicht verwendet werden können, um die Art von Daten zu senden, mit denen wir vertraut sind, wie E-Mails und WhatsApp-Nachrichten. Aber das seltsame Verhalten von Qubits eröffnet enorme Möglichkeiten in anderen Nischenanwendungen.
QUANTUMSKOMMUNIKATION
Einer der aufregendsten Wege, den Forscher, die mit Qubits bewaffnet sind, erforschen, ist die Kommunikationssicherheit.
Quantensicherheit führt uns zum Konzept der Quantenkryptographie, die mit Hilfe der Physik ein Kryptosystem entwickelt, das völlig sicher gegen Kompromittierung ohne Kenntnis des Senders oder Empfängers der Nachrichten ist.
Im Wesentlichen basiert die Quantenkryptographie auf der Nutzung einzelner Teilchen/Lichtwellen (Photonen) und ihrer intrinsischen Quanteneigenschaften, um ein unzerbrechliches Kryptosystem zu entwickeln (weil es unmöglich ist, den Quantenzustand eines Systems zu messen, ohne dieses System zu stören.)
Quantenkryptographie verwendet Photonen, um einen Schlüssel zu übertragen. Sobald der Schlüssel übertragen ist, kann die Codierung und Codierung unter Verwendung des normalen Geheimschlüsselverfahrens erfolgen. Aber wie wird ein Photon zum Schlüssel? Wie hängt man Informationen an den Spin eines Photons an?
Hier kommt der Binärcode ins Spiel. Jede Art des Spins eines Photons repräsentiert eine Information – normalerweise eine 1 oder eine 0 für Binärcode. Dieser Code verwendet Zeichenfolgen aus 1 und 0, um eine kohärente Nachricht zu erstellen. Beispielsweise könnte 11100100110 hallo entsprechen. So kann jedem Photon ein Binärcode zugewiesen werden – beispielsweise kann einem Photon mit einem vertikalen Spin ( | ) eine 1 zugewiesen werden.
Reguläre Nicht-Quantenverschlüsselung kann auf verschiedene Weise funktionieren, aber im Allgemeinen wird eine Nachricht verschlüsselt und kann nur mit einem geheimen Schlüssel entschlüsselt werden. Der Trick besteht darin, sicherzustellen, dass jeder, vor dem Sie versuchen, Ihre Kommunikation zu verbergen, Ihren geheimen Schlüssel nicht in die Hände bekommt. Aber solche Verschlüsselungstechniken haben ihre Schwachstellen. Bestimmte Produkte – sogenannte schwache Schlüssel – lassen sich leichter faktorisieren als andere. Außerdem erhöht das Mooresche Gesetz ständig die Rechenleistung unserer Computer. Noch wichtiger ist, dass Mathematiker ständig neue Algorithmen entwickeln, die eine einfachere Faktorisierung des geheimen Schlüssels ermöglichen.
Die Quantenkryptographie vermeidet all diese Probleme. Hier wird der Schlüssel in eine Reihe von Photonen verschlüsselt, die zwischen zwei Parteien weitergegeben werden, die versuchen, geheime Informationen auszutauschen. Das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip schreibt vor, dass ein Gegner diese Photonen nicht ansehen kann, ohne sie zu verändern oder zu zerstören.
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