Die Vorteile und Nachteile von Quanten-Networking

Was ist Quanten-Networking?

Ein Quantennetzwerk hängt unmittelbar mit der Quantenphysik und -kommunikation zusammen. Seine physische Infrastruktur besteht aus mehreren Quantenprozessoren, die Informationen in Form von Qubits austauschen. Beim Quanten-Networking geht es darum, Informationen, die in Form von Qubits kodiert sind, innerhalb eines Quantennetzwerks zu übertragen und zu empfangen.

Die Prinzipien der Quantenphysik bestimmen die Protokolle beim Quanten-Networking, wobei Algorithmen die Informationen mit einer starken Verschlüsselung zwischen mehreren Knoten austauschen, die über große Entfernungen verteilt sind. Diese Prinzipien ermöglichen Quanten-Networking-Protokolle, die eine schnelle, zuverlässige und sichere Kommunikation gewährleisten.

Da es sich bei Quanten-Networking um eine derart neue Networking-Technologie handelt, kann es für Anbieter eine Herausforderung darstellen, sie zu vermarkten. In diesem Artikel erläutern wir einige Vor- und Nachteile von Quanten-Networking und die mit dessen Implementierung verbundenen Herausforderungen.

Vorteile von Quanten-Networking

Obwohl Quanten-Networking noch am Anfang steht, besitzt es das Potenzial, etliche Vorteile für die Zukunft zu bieten. Zu den Vorteilen von Quanten-Networking gehören unter anderem:

• Breites Spektrum von Anwendungen.
• Gemeinsame Problemlösung.
• Kommunikation über große Entfernungen.
• Zuverlässige Übertragung.
• Verbesserte Sicherheit.
• Quantenkryptografie.
• Fehlererkennung und -korrektur.

Breites Spektrum von Anwendungen

Beim Quanten-Networking sendet und empfängt das Netzwerk Informationen als Qubits, häufig logische Qubits genannt. Die verschränkten oder überlagerten Zustände der Qubits kodieren die Informationen. Diese Qubits existieren in mehreren Zuständen – 0, 1 oder beides – gleichzeitig, ändern sich aber zum Zeitpunkt der Messung durch den Kollaps der Wellenfunktion.

Die meisten Quanten-Networking-Technologien arbeiten mit Photonenenergie. Die doppelteilchen- und wellenartige Beschaffenheit ermöglicht eine Vielzahl von quantenbezogenen Anwendungen, unter anderem Quantensensorik, Quantenteleportation und Quantensimulation.

Gemeinsame Problemlösung

Im Idealfall kann eine bestimmte Anzahl von Quantennetzwerken mehrere Knoten bereitstellen, um ein gemeinsames Problem zu lösen. Quanten-Networking benötigt eine hohe Rechenleistung und -geschwindigkeit zur Bearbeitung komplexer Probleme.

Beim verteilten Quantencomputing beispielsweise handelt es sich um einen Quantennetzwerk-Cluster, in dem mehrere Quantenprozessoren zusammenarbeiten, um komplexe Probleme zu lösen und gemeinsam High-Speed Computing zu ermöglichen. Die Quanten-Networking-Infrastruktur kann sich auch mit dem Quanteninternet verbinden, um ein Quanten-IoT mit Quantenprozessoren, -sensoren, -Repeatern, -Controllern und anderen Geräten zu bilden.

Kommunikation über große Entfernungen

Die Quantenverschränkung beschreibt die Übertragung von Qubits über große Entfernungen. Beim Quanten-Networking befinden sich zwei oder mehr Qubits in einem Verschränkungszustand mit gleichem oder entgegengesetztem Spin. Diese Qubits verschränken sich zunächst, trennen sich dann aber über große Entfernungen.

Wenn sich der Zustand eines Qubits bei einer Messung ändert, ändert sich automatisch auch das andere Qubit. Quantenverschränkung wird mitunter auch als Quantenteleportation bezeichnet, da die jeweiligen Qubits nicht über den Kanal zum Router und anderen Netzwerkgeräten übertragen werden.

Zuverlässige Übertragung

Das TCP/IP-Modell beschreibt die Übertragung von Datenpaketen über ein Netzwerk und eine Bestätigung durch den Empfänger. Beim Quanten-Networking entfällt die Notwendigkeit einer Bestätigung, da es möglich ist, die verschränkten Zustände vorherzusagen.

Quanten-Repeater kommen an einem oder mehreren Standorten zum Einsatz, um die Zuverlässigkeit, Rechenleistung und Reichweite von Quantennetzwerken zu erhöhen. Mit anderen Worten: Quanten-Repeater verringern die Auswirkungen von Dekohärenz und Signalverlust, um exakte Informationen zu liefern.

Verbesserte Sicherheit

Das No-Cloning-Theorem besagt, dass es unmöglich ist, die Quanteninformation eines unbekannten Zustands auf einen anderen zu übertragen. Ein Hacker kann keine vollkommen unabhängige und identische Kopie des unbekannten verschränkten Quantenzustands erstellen.

Ein Hacker kann jedoch versuchen, Qubits in einem Quantennetzwerk zu manipulieren, um ein bestimmtes Maß an Replikation zu erreichen. Quanten-Networking-Protokolle können die Manipulation auf dem Kanal erkennen und bieten Funktionen zur Quantenfehlererkennung und -korrektur, mit denen sich ein hohes Sicherheitsniveau gewährleisten lässt.

Quantenkryptografie

Quanten-Networking umfasst die Quantenkryptografie, um Informationen zu verschlüsseln und zu entschlüsseln. Der Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution, QKD) ist ein quantenkryptografisches Protokoll, das den Austausch geheimer Schlüssel in Form von Qubits beziehungsweise polarisierten Photonen über ein unsicheres Netzwerk ermöglicht.

In der Quantenkryptografie besagt die Heisenbergsche Unschärferelation, dass es unmöglich ist, die Geschwindigkeit und Position eines Teilchens gleichzeitig für eine ultrasichere Verbindung zu bestimmen. Sender und Empfänger vergleichen die Messergebnisse, um den Fehler zu beseitigen, unbefugte Zugriffe Dritter zu erkennen und den geheimen Schlüssel zu authentifizieren. Zu den QKD-Protokollen gehören unter anderem BB84 und QKD auf Decoy-Basis.

Fehlererkennung und -korrektur

Quanten-Networking kann mithilfe von Algorithmen zur Quantenfehlererkennung und -korrektur eine hohe Genauigkeit erreichen. Viele Fehlerkorrekturalgorithmen erkennen Abweichungen im Zustand des empfangenen Qubits anhand der übertragenen Photonen.

Diese Protokolle ermöglichen es den Benutzern, mögliche Hackerangriffe auf das Quantennetzwerk zu erkennen. Zu den gängigsten Fehlerkorrekturverfahren gehören Shor- und Bit-Flip-Code sowie bosonische Codes.

Probleme von Quanten-Networking

Trotz der zahlreichen Vorteile von Quanten-Networking gibt es auch einige Herausforderungen. Zu den Nachteilen von Quanten-Networking gehören unter anderem:

• Fragile Beschaffenheit der Quanteninformationen.
• Komplexe Manipulation.
• Langsame Kommunikation.
• Probleme mit der Skalierbarkeit.
• Hohe Kosten.
• Komplexe Integration.

Fragile Beschaffenheit der Quanteninformationen

Quanteninformationen sind von Natur aus fragil, was sie anfällig für Umgebungsfaktoren wie Quanteninterferenz, Dekohärenz und Signalverlust macht. Netzwerkfachleute können Quanten-Repeater in mehreren Segmenten einsetzen, um die Genauigkeit von Quanten-Networking sicherzustellen. Darüber hinaus müssen Quantenoperatoren während der Fehlerkorrekturverfahren auf die Qubits einwirken.

Komplexe Manipulation

Aus Unternehmenssicht könnte die fehlende Möglichkeit, den Quantenzustand zu kopieren, viele Routineanwendungen einschränken. In diesen Fällen manipulieren Quantenlogikgatter Quanteninformationen zwischen Knoten, um eine Übertragung zu ermöglichen. Quantenlogikgatter können allerdings nicht gegen das No-Cloning-Theorem verstoßen.

Langsame Kommunikation

Ein weitverbreiteter Irrglaube ist die Annahme, die Quantenkommunikation sei schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Quanten-Networking nutzt jedoch oft konventionelle Kommunikationsmethoden, wodurch die Möglichkeit einer Kommunikation mit höherer Geschwindigkeit als der Lichtgeschwindigkeit ausgeschlossen ist. Beim Quanten-Networking kommen Glasfaserleitungen für die Kommunikation zum Einsatz, ähnlich wie beim herkömmlichen Internet.

Probleme mit der Skalierbarkeit

Quantenkommunikation über große Entfernungen ist derzeit hypothetisch, da ein Quantennetzwerk mit vielen Knoten kurze Distanzen nutzt, um sie zu trennen. Quantennetzwerke verfügen in der Regel über weniger Prozessoren als klassische Netzwerke. Quantenprozessoren können praktisch eine geringere Anzahl überlagerter oder verschränkter Qubits in Quanten-Networking-Protokollen erzeugen.

Hohe Kosten

Die Implementierung und Wartung von Quantennetzwerken ist mit hohen Kosten verbunden. Hardware und Software für Quanten-Networking erfordern hohe Investitionen in Technologie, Planung und Ausgaben. Branchen, die über ein hohes Budget verfügen, wie Regierungen, Weltraumforschung und kryptografische Projekte, sind deshalb eher für Quanten-Networking prädestiniert.

Komplexe Integration

Quanten-Networking bringt eigene Standardisierungs- und Interoperabilitätsanforderungen für hybride Netzwerke mit sich. Um sich in das klassische Internet zu integrieren, muss ein Netzwerk eine große Anzahl von Quantenprozessoren bereitstellen. Zudem basieren das TCP/IP-Kommunikationsmodell und Quanten-Networking auf unterschiedlichen Technologien, die sich nur schwer miteinander kombinieren lassen.

Die Zukunft von Quanten-Networking

Große Unternehmen und Organisationen sind an Quanten-Networking interessiert, um optimiertes Computing und schnelle Kommunikation zu ermöglichen sowie komplexe Probleme zu lösen.

Es wird noch Jahre dauern, bis man Quantennetzwerke zu erschwinglichen Preisen wie heutige Computernetzwerke kommerziell betreiben kann. In den nächsten Jahrzehnten können verschiedene Sektoren, zum Beispiel IT, Raumfahrt, Forschung, Gesundheitswesen und Einzelhandel, mittels Quanten-Networking eine schnelle Kommunikation und High Performance Computing erreichen.