Nach meinem ersten Artikel über Quantencomputer erforsche und versuche ich nun, die ebenso fantastische wie herausfordernde Welt der Quantennetzwerke zu erklären. Mit Quantencomputing kommen Quantennetzwerke, und die beste Technologie, die wir dafür haben, ist Glasfaser. Auch wenn Quantencomputer der absoluten Magie nahe kommen, benötigen sie immer noch Netzwerke, um zu kommunizieren, und wir betrachten zum größten Teil nicht Kupfer. Faseroptik ist das Ding, aber es ist eine seltsame Herausforderung, winzig kleine Photonen ganz alleine auszusenden. Und selbst wenn die Zukunft ganz nach Quanten aussieht, können Sie darauf wetten, dass noch viele alte Technologien jahrelang parallel arbeiten werden, sodass es eine der größten Herausforderungen für Systemadministratoren sein wird, sicherzustellen, dass sie alle koexistieren und sicher bleiben können.
Das Internet, wie wir es kennen
Als Teenager ging ich mit einigen meiner Freunde als Austauschschüler in die USA. Während wir unsere Englischkenntnisse verbesserten, bemerkten wir auch die Bequemlichkeit, privat miteinander kommunizieren zu können, indem wir zu unserer Muttersprache, Schwedisch, wechselten. Wir könnten an öffentlichen Orten allerlei Unsinn reden, und niemand würde es verstehen. Das war, bis uns eines Tages eine ältere Dame mit strengen Augen ansah und uns in perfektem Schwedisch sagte, wir sollten uns schämen und auf unsere Sprache achten. Wir erröteten und fühlten uns wirklich sehr albern, murmelten unsere Entschuldigung und machten uns auf den Weg.
Das Internet ist darin ähnlich, dass wir die meiste Zeit private und sichere Gespräche führen können; Es besteht jedoch immer das Risiko, dass diese Kommunikation abgefangen wird. Informationen können gestohlen oder verfälscht werden, daher gibt es viele gute Gründe, warum Sicherheitsteams jedem bei jedem Anzeichen von Schwachstelle im Nacken sitzen, insbesondere wenn Sie zufällig mit hochkarätigen oder hochwertigen Informationen arbeiten.
Das Internet, wie wir es kennen, ist voll von Sicherheitsprotokollen und Verschlüsselungsalgorithmen, um unsere Gespräche und alle von uns generierten Daten zu schützen. Aber mit bösen Mächten auf freiem Fuß besteht ein ständiges Risiko, dass es ihnen gelingt, unsere wertvollen Informationen zu entschlüsseln, zu stehlen, zu kopieren, zu fälschen oder anderweitig abzugreifen. Wenn sie es nicht knacken können, können sie es blockieren, indem sie alle Arten kreativer Malware und Angriffe freisetzen, um die Kommunikationsverbindungen zu überfluten.
Quantencomputer kommunizieren anders.
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Ein quantenverschränktes Netzwerk
Quantenverschränkung ist, wenn zwei verbundene Teilchen an verschiedenen Orten platziert werden, wobei der Sender einen Teil hat und der Empfänger den anderen. Die verschränkten Teilchen werden gleichzeitig die entgegengesetzte Position des anderen verschränkten Teilchens einnehmen. Auf diese Weise wissen Sie sofort, was die andere Seite tut, und das Seltsame ist, dass es zu diesem Zeitpunkt keine Kommunikation zum Abfangen gibt.
An der University of Bristol hat ein Team internationaler Wissenschaftler ein Quantennetzwerk geschaffen, das, wenn es erweitert wird, "das Potenzial hat, Millionen von Benutzern zu dienen". Das klingt sehr ehrgeizig, und es ist eine ziemlich große Sache, denn bis jetzt (als dieser Artikel geschrieben wurde) bestanden quantenverschränkte Netzwerke meist nur aus zwei Knoten. Sie um weitere Knoten zu erweitern, ist nicht einfach, da eine Vielzahl teurer Komponenten erforderlich sind, die wiederum erhebliche finanzielle Mittel erfordern. Das Bristol-Team hat ein Quantennetzwerk mit acht Knoten und acht Empfängerboxen erstellt.
Wenn man bedenkt, dass frühere Methoden 56 Boxen benötigen würden, um acht Knoten zu versorgen, ist dies ein großer Durchbruch. Auch die Tatsache, dass sie vorhandene Technologie verwenden, ist noch besser, aber die Herausforderung ist immer noch die Entfernung, auf die ich später zurückkommen werde.
Tschüss, Kupfer
Informationen in einem Quantennetzwerk können in Glasfasern übertragen werden, und das ist natürlich sehr gut, weil es eine Menge davon gibt und weitere ausgerollt werden. Die Photonen im Quantenzustand, die sich entlang der Faseroptik bewegen, sind sehr empfindlich gegenüber Interferenzen, was bedeutet, dass der Quantenzustand leicht verloren geht. Die Photonen sind so winzig und schwach, dass sie nach einiger Entfernung vom Glasfaserkabel absorbiert werden. Es wird viel geforscht, wie diese Herausforderung angegangen werden kann, und es werden Fortschritte erzielt, aber bisher nur bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt.
Nicht machthungrig
Ich habe bereits über Quantencomputer geschrieben und gesagt, dass sie groß und sperrig sind und viel Energie verbrauchen. Die Sache ist, dass Energie benötigt wird, um die besonderen Umstände zu schaffen, die notwendig sind, damit die Quantenphysik wirken kann. Dazu gehören Dinge wie Vakuum, Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und eine absolut störungsfreie Umgebung. Die eigentlichen Photonen und Elektronen, die „Quanten machen“, brauchen winzige Mengen an Energie, so dass wir, sobald der Quantenzustand zuverlässig bei Raumtemperatur arbeiten kann, viel kleinere Computer sehen werden, die sehr wenig Energie benötigen.
Quantum Repeater
Wie bereits erwähnt, haben die heutigen Glasfasernetze den lästigen Kniff, die übertragenen Photonen zu absorbieren, und das innerhalb weniger Kilometer. Der springende Punkt ist, dass die Quantenverschränkung ein sehr fragiler Zustand ist und schwer aufrechtzuerhalten ist. Selbst die kleinste Störung oder Wechselwirkung zwischen einem der Photonen und dem, was sich in seiner Umgebung befindet, wird die Verbindung unterbrechen – Repeater betreten. Aktuelle Repeater haben jedoch Einschränkungen und Schwachstellen und werden komplex in der Wartung, sobald Sie mit der Skalierung beginnen.
Stabübergabe
Ein Quantenrepeater misst die Quanteneigenschaften der ankommenden Photonen. Der Repeater überträgt dann die Quanteneigenschaften auf neue Photonen und schickt sie auf die nächste Strecke. Wenn man bedenkt, dass es leicht 100.000 Photonen pro Sekunde geben kann, wird der Repeater sehr beschäftigt sein.
Dieser Relaisprozess ermöglicht es, die Verschränkung über viel größere Entfernungen auszubreiten, aber in meiner einfachen Welt frage ich mich nur, wie wir sicherstellen können, dass die richtigen Quanteneigenschaften übertragen werden. Möglicherweise ist dies nach Quantenverschränkung sortiert, wo der Empfänger bereits weiß, was ihn erwartet.
Wenn wir dies skalieren, brauchen wir eine ernsthafte Überwachung; Fehler nicht nur zu verfolgen, sondern auch zu korrigieren. Das Gebiet der Mathematik, das sich der Quantenphysik und ihren Besonderheiten widmet, macht ständig Fortschritte. Tatsächlich gibt es so viele Fortschritte, dass ich aufhören muss, Forschungsarbeiten zu lesen, oder ich werde diesen Artikel nie beenden. So schnell geht es in diesem Bereich voran.
Quanten auf Distanz
Ein Wissenschaftsteam der Yokohama National University hat eine neue Methode zur Verschränkung von Photonen entwickelt und es geschafft, diese Photonen über 10 Kilometer weit über Glasfaser zu senden. Sie haben auch einen einzelnen Repeater verwendet und dabei eine Gesamtreichweite von 20 Kilometern erreicht.
Zum jetzigen Zeitpunkt war die weiteste Entfernung, die es jemandem geschafft hat, die Quantenverschränkung aufrechtzuerhalten, 83,7 Kilometer, die dieses Jahr von Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums und der University of Chicago erreicht wurde. Aber ich bin mir sicher, dass wir diesen Rekord in naher Zukunft um ein Vielfaches brechen werden.
Ein Geheimnis bewahren
Die Qubits, die über das Quantennetzwerk transportiert werden, haben eine sehr spezifische und einzigartige Eigenschaft, die als „Beobachtereffekt“ bezeichnet wird, was bedeutet, dass sie nicht unterbrochen werden können, und dies ist Teil der Funktionsweise der Quantenmechanik. Der Beobachtereffekt bedeutet, dass jeder Versuch, die Photonen zu überwachen, während sie sich entlang des Netzwerks bewegen, sie nicht nur modifizieren, sondern tatsächlich zerstören würde.
Das bedeutet, dass der beabsichtigte Empfänger sofort weiß, ob es unterwegs Abhörversuche gegeben hat. *An diesem Phänomen führt derzeit kein Weg vorbei, da es eine inhärente Eigenschaft der Quantenmechanik ist – daher ist es nicht verwunderlich, dass Regierungen, medizinische Unternehmen und Finanzinstitute offenkundig daran interessiert sind.
*Da die Forschung auf diesem Gebiet mit solch einer fantastischen Geschwindigkeit voranschreitet, wäre ich nicht überrascht, wenn Wissenschaftler einen Weg finden würden, diese inhärente Eigenschaft zu umgehen, bevor Sie dies lesen.
Verschlüsselte Quantennetzwerke
Wie sicher können Sie also werden? Anscheinend nicht genug. Das Gebiet der Quantenkryptografie boomt, und durch den Einsatz der Technologie der Quantenschlüsselverteilung (QKD) ist es möglich, Informationen zwischen Sender und Empfänger zu ver- und entschlüsseln. Die Qubits können erst gelesen werden, wenn sie an ihrem Ziel angekommen sind und Sie den richtigen Quantenschlüssel haben, um sie zu entsperren, also kein Abhören mehr.
Quantenknoten im Weltraum?
Inzwischen wissen wir, dass die Quantenphysik ohne Störungen am besten funktioniert, im Vakuum, wo es sehr kalt ist, und das macht einige Teile des Weltraums in der Nähe der Erde sehr geeignet. Die Leistung, die Quantencomputer hier auf der Erde benötigen, dient vor allem dazu, die besonderen Bedingungen zu schaffen, die der Weltraum in Hülle und Fülle bietet. Das Qubit selbst benötigt absolut winzige Energie, um zu funktionieren, daher prüfen Wissenschaftler die Möglichkeit, Quantencomputer in Satelliten miteinander zu verschränken, was es ermöglichen würde, Probleme von der Erde zu senden, im Weltraum zu verarbeiten und dann die Antwort/en zurückzusenden zur Erde. Die Satelliten würden verschränkte Photonen zurück zur Erde schicken – wie cool ist das denn.
Das bin ich nicht ganz aus den Angeln – die Idee stammt eigentlich von Wissenschaftlern der Louisiana State University in Baton Rouge. Oh, und übrigens, die Quantenverschränkung im Weltraum wurde bereits erfolgreich getestet – im Jahr 2017.
Mehr ist besser
Hummingbird, Eagle, Osprey und Condor – das sind Namen von Prozessoren mit einer zunehmenden Anzahl von Qubits von Big Blue (IBM), das auf dem Weg zu einem Quantencomputer mit einer Million Qubit ist, der 2030 auf den Markt kommen soll. Sie könnten es sein überrascht zu erfahren, dass IBM im September 2020 seinen neuen 65-Qubit-Prozessor Quantum Hummingbird veröffentlicht hat, jedoch nur für Mitglieder des IBM Q Network. In jedem Fall können Sie hier mehr über ihre Roadmap lesen.
Qubits in Perspektive
Heutige Computer arbeiten mit Bits. Ein Bit kann entweder Null oder Eins sein. Das Äquivalent in Quantencomputern wird „Qubit“ genannt und kann gleichzeitig den Wert von Null und Eins haben, einschließlich aller Werte dazwischen. Dies macht den Quantencomputer in dem Sinne überlegen, dass es nicht zu viele Qubits braucht, um die heutigen Supercomputer zu überholen. Stellen Sie sich jetzt die Leistung eines Computers mit einer Million Qubit vor.
Wenn wir in nur 10 Jahren (oder weniger) Mega-Quantencomputer haben werden, brauchen wir einige ernsthafte Glasfasernetzwerke und sehr clevere Netzwerkkomponenten, die dazu passen. Wenn man sich die Entwicklungsgeschwindigkeit in diesem Bereich ansieht, werden wir eine Menge neuer Technologien brauchen, die noch erfunden werden müssen. Ich glaube, wir stehen kurz vor einem technologischen Supersprung, der viel größer und dramatischer sein wird als alles, was wir bisher erlebt haben.
Ich verfolge neugierig die Unternehmen, die in diesen aufstrebenden Markt eintreten. Sie führen; wer wird folgen?
Quantenschwäche
In meiner Karriere habe ich Aussagen über Technologien wie „100 % sicher“ oder „Das ist die absolute Grenze“ gehört, nur um zu sehen, wie sie nach weiteren sechs Monaten gebrochen wurden. „Wie man bedingungslose Netzwerksicherheit dank Quantenmechanik erreicht“ ist wahrscheinlich ein ebenso schwacher Gedanke. Bedrohungen im Quanteninternet werden in diesem Dokument erörtert, das von Takahiko Satoh, Shota Nagayama, Shigeya Suzuki, Takaaki Matsuo und Rodney Van Meter erstellt wurde. Ihr Fokus liegt auf der Quanten-Repeater-Architektur, und sie argumentieren, dass, da ein Repeater klassische Computerhardware enthält, die möglichen Angriffe denen auf klassische Systeme sehr ähnlich sind.
Wenn man bedenkt, dass Angriffe normalerweise nicht auf die stärksten Punkte abzielen – was die Besonderheiten der Quantenmechanik sind – kann man vernünftigerweise mit Angriffen auf die schwächsten Punkte rechnen, die zwangsläufig die klassischen Netzwerkkomponenten sein werden.
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Abschluss
Mit Quantencomputern kommen Quantennetzwerke, und die beste derzeitige Technologie, die wir dafür haben, ist Glasfaser. Qubits, die Quantenzustandsphotonen tragen, werden über das Netzwerk übertragen, und dank der Natur der Quantenmechanik und des „Beobachtereffekts“ kann der Quantenzustand während des Transports nicht abgefangen werden. Die Repeater könnten jedoch schwach sein – eine notwendige Komponente, wenn eine beliebige Entfernung erreicht werden soll.
Einige Technologien müssen noch entwickelt werden, und es gibt viele Herausforderungen, aber angesichts des massiven finanziellen Interesses an einem „sicheren Internet“ haben Forscher alle Mittel, die sie benötigen. Der gewaltige Fortschritt in diesem Bereich wird offensichtlich, wenn man sich die schiere Menge an wissenschaftlichen Arbeiten ansieht, die veröffentlicht werden.
Wenn es gebaut werden kann, kann es kaputt gehen. Die Debatte um Sicherheit und Verschlüsselung ist lebhaft, und ich würde nicht erwarten, dass dunkle Mächte untätig herumsitzen und darauf warten, dass die Quantentechnologie ausgereift ist.
Quantencomputer und -netzwerke sind bereits da und werden in wenigen Jahren kommerziell erhältlich sein. Bist du bis dahin bereit?