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Quanteninternet und klassisches Internet im Vergleich
Das Quanteninternet ist ein hypothetisches, sicheres Netzwerk, das aus Qubits besteht. Es nutzt anders als das klassische Internet Quantenprinzipien, was etliche Vorteile bietet.
Beim Quanteninternet handelt es sich um ein hypothetisches Hochgeschwindigkeitsinternet, das ultrasichere Konnektivität zu Quantengeräten auf der ganzen Welt ermöglicht. In der Zukunft wird das Quanteninternet ein Verbund von Netzwerkmegaclustern sein. Diese bestehen aus kleinen Quanteninfrastrukturen, die durch große Entfernungen oder internationale Grenzen getrennt sind.
Obwohl Quantencomputer in der physischen Welt existieren, ist das Konzept des Quanteninternets derzeit noch theoretischer Natur. Vorhandene Quantennetzwerke gehen derzeit nicht über den Forschungsbereich hinaus, stehen aber im Zusammenhang mit Quanten-Computing. Beispielsweise basiert das Quanteninternet auf quantenmechanischen Phänomenen, etwa Überlagerung (Superposition) und Verschränkung, und nutzt kryptografische Quantenprotokolle zur Absicherung der Kommunikation.
Forschungsteams führen Versuche durch, um die Verschränkung über große Entfernungen zu erreichen, während Wissenschaftler immer noch darüber nachdenken, wie das Quanteninternet nach seiner Vollendung funktionieren soll. Wenn es vollständig umgesetzt ist, wird sich das Quanteninternet in das klassische Internet integrieren, um komplexe Probleme zu lösen, sowie sichere Kommunikation und High-Speed Computing zu ermöglichen.
Klassisches Internet versus Quanteninternet
Das Quanteninternet wird das klassische Internet nicht ersetzen. Stattdessen wird es bessere Funktionen bieten, um Geräte in Privathaushalten, Geschäften und Unternehmen miteinander zu verbinden. Die derzeitigen Quantencomputer greifen auf das klassische Internet zu, um bestimmte Aufgaben durchzuführen. Alle Quantengeräte werden letztlich das Quanteninternet durch Quanten-Networking-Protokolle unterstützen müssen.
Dateneinheiten
Das klassische Internet ermöglicht es Geräten, Informationen in Form von Bits zu übertragen, zu empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Ein Bit ist die kleinste Einheit in der Datenverarbeitung. Es gibt den logischen Zustand eines Geräts an, zum Beispiel ein und aus, ausgedrückt als 1 beziehungsweise 0. Mehrere Bits können ein Zeichen in einem Text, ein Pixel in einem Bild oder einen Frame in einem Video darstellen. Mit anderen Worten: Alle Information im Internet werden durch Bits repräsentiert.
Das Quanteninternet ermöglicht es miteinander verbundenen Quantennetzwerken, Informationen auszutauschen, die als Qubits bezeichnet werden und in zwei Quantenzuständen vorliegen. Ähnlich wie ein Bit entweder 0 oder 1 sein kann, repräsentiert ein Qubit zwei Quantenzustände.
Ein Quantenzustand stellt entweder die Polarisation eines Photons oder den Spin eines Elektrons dar. Diese Eigenschaften erlauben es Qubits, Informationen in einem Quantennetzwerk zu codieren. Sie versetzen Qubits in einen Überlagerungszustand, in dem sich ein Qubit in beiden Zuständen gleichzeitig befindet, wobei jede Änderung am Qubit beide Zustände beeinflusst.
Im Quanteninternet können logische Operationen, etwa Fehlerkorrektur oder Verschlüsselung, einzelne Qubits verändern, ohne dass andere Qubits im Datenpaket davon betroffen sind. Dies unterscheidet sich von der deterministischen Verarbeitung im klassischen Internet, bei der die Übertragung sich abhängig von der Gesamtmenge der Informationen in einem Datenpaket ändert.
Funktionsweise
Das klassische Internet sendet Daten mit hoher Geschwindigkeit von der Quelle zum Ziel. Jede Quelle und jedes Ziel besitzt eine eindeutige IP-Adresse. Netzwerkprotokolle kapseln Informationen in Pakete und senden Daten über Kanäle vom Sender zum Empfänger. Das klassische Internet basiert auf dem TCP/IP-Protokoll, um eine zuverlässige Datenübertragung, IP-Adressierung, Routing, Sicherheit und andere wichtige Netzwerkanforderungen zu gewährleisten.
Da das Quanteninternet noch immer hypothetischer Natur ist und sich in einem frühen Entwicklungsstadium mit entsprechend kleiner Basis befindet, gibt es dafür auch noch keine klar definierte Netzwerkprotokollsuite wie TCP/IP. Forscher haben jedoch im Laufe der Jahre verschiedene Quanten-Networking-Protokolle entwickelt, um die aktuelle Quantenkommunikation zu ermöglichen. Quanten-Networking-Protokolle beruhen auf quantenmechanischen Prinzipien, damit Qubits innerhalb eines Netzwerks ausgetauscht werden können.
Abdeckung
Das klassische Internet ist ein globales, miteinander verbundenes Netzwerk, das sich aus kleineren Netzwerken auf der ganzen Welt zusammensetzt. Das Internet besteht aus Milliarden von Netzwerken, und Milliarden von Nutzern greifen täglich darauf zu, um im Web zu surfen, Informationen zu suchen und mit anderen zu kommunizieren.
Wie weit das Quanteninternet reicht, lässt sich schwer messen, da es nur in hypothetischen Szenarien existiert. Quantenforscher erzeugen verschränkte Zustände über große Entfernungen, um die Ausdehnung von Quantensystemen zu testen. Studien haben gezeigt, dass die Reichweite von Quantennetzwerken für glasfaserbasierte Kommunikation circa 100 Kilometer beträgt. Um die Reichweite der Quantenkommunikation zu erhöhen, setzen Wissenschaftler Quanten-Repeater ein, die schwache Signale auffangen und erneut übertragen.
Quanteninternet versus klassisches Internet: Sicherheit
Im klassischen Internet lassen sich mit Netzwerksicherheitsprotokollen sichere Kanäle für eine unterbrechungsfreie Verbindung einrichten. Nachfolgend einige Beispiele für Netzwerksicherheitsprotokolle:
- IPsec
- VPN-Tunneling-Protokolle
- Secure Socket Layer (SSL)
- Secure Shell (SSH)
- Tunneled Layer Security (TLS)
- Wi-Fi Protected Access (WPA)
Im Quanteninternet stützt sich die Entwicklung kryptografischer Protokolle jedoch auf die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD). Bei der QKD wird ein geheimer, nicht replizierbarer Schlüssel zwischen den mit dem Quanteninternet verbundenen Geräten ausgetauscht. Hacker können den Zustand eines verschränkten Qubits nicht genau bestimmen, weil jede Messung zu einem Kollaps der Wellenfunktion führt. Das Quanteninternet nutzt außerdem quantenkryptografische Protokolle, um die Kommunikation abzusichern.
Zuverlässigkeit
Das klassische Internet funktioniert im Allgemeinen stabil, aber die Zuverlässigkeit der Übertragung von Datenpaketen ist nicht immer gewährleistet. In Netzwerken kommt es häufig zu Paketverlust, unter anderem aufgrund von Überlastung und Hardwarefehlern. Paketverlust verhindert die Übertragung von Daten im Internet und führt manchmal zu Latenz.
Im Quanteninternet kann es auch zu Qubit-Verlust kommen, einem ähnlichen Phänomen wie Paketverlust. Qubit-Verlust, auch als Quantendekohärenz bezeichnet, ist ein Problem, das häufig auftritt, wenn alle Komponenten in einer Quantenumgebung mit einem System interagieren, was zu Photonenverlust führt. Da Quanten-Networking noch in den Kinderschuhen steckt, sind sich die Wissenschaftler noch nicht ganz im Klaren darüber, wie man Dekohärenz verhindern oder in den Griff bekommen kann. Aber die Forscher beschäftigen sich weiter mit den Ursachen.
Quanteninternet versus klassisches Internet: Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit im klassischen Internet bewegt sich zwischen MBit/s und GBit/s. Geschwindigkeiten im MBit/s-Bereich eignen sich für grundlegende Internetaktivitäten, wie das Surfen im Internet, das Senden von E-Mails und Streaming. GBit/s-Geschwindigkeiten unterstützen bandbreitenintensivere Anwendungsfälle, zum Beispiel Datei-Downloads, Videokonferenzen und Spiele.
Frühe Theorien sagten voraus, dass die Quantenkommunikation schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein würde. Doch die aktuelle Forschung zeigt, dass dies nicht der Fall ist. Forscher stellten die These auf, die Quantenkommunikation widerspreche dem Kausalitätsprinzip, das besagt, dass jede Ursache eine Wirkung hat. Die Quantenkommunikation verstößt gegen dieses Prinzip, weil die Verschränkung – die Eigenschaft, die Qubits miteinander verbindet, um eine Kommunikation zwischen ihnen zu ermöglichen – unabhängig davon auftreten kann, wie weit die Qubits voneinander entfernt sind.
Die Quantenverschränkung setzt voraus, dass Zwei-Qubit-Zustände direkt voneinander abhängig sind. Theoretisch könnten Qubits, selbst wenn sie eine Milliarde Kilometer voneinander entfernt sind, sofort miteinander kommunizieren. Da es aufgrund der Quantenverschränkung unmöglich ist, sowohl die Position als auch den Impuls eines verschränkten Teilchens zu messen, ist es unwahrscheinlich, dass die Geschwindigkeit des Quanteninternets der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Quanteninternet versus klassisches Internet: Ein Überblick
Die folgende Tabelle fasst die Unterschiede zwischen dem Quanteninternet und dem klassischen Internet zusammen.
| Merkmal | Klassisches Internet | Quanteninternet |
| Dateneinheit | Bit | Qubit |
| Basis | TCP/IP-Protokollsuite | Prinzipien der Quantenmechanik |
| Abdeckung | Global | Kleiner, mit einigen Quanten-Computing-Netzwerken |
| Sicherheitsprotokolle | IPsec, VPN, SSL, SSH, TLS, WPA | QKD, quantensichere direkte Kommunikation, quantenkryptografische Protokolle |
| Zuverlässigkeit | Hoch, aber mit Paketverlust | Gering, Fehlerkorrekturcodes sind häufig notwendig |
| Geschwindigkeit | MBit/s bis GBit/s | Theoretisch hoch |
| Implementierungsstatus | 5,4 Milliarden Nutzer weltweit | Hypothetisch |
Wie das Quanteninternet und das klassische Internet zusammenspielen
Forscher gehen davon aus, dass das Quanteninternet und das klassische Internet gemeinsam an der Lösung komplexer Probleme beteiligt sein werden. Zu den möglichen Formen des Zusammenwirkens von Quanteninternet und klassischem Internet gehören der Aufbau hybrider Quantennetzwerke, Supercomputing und supraleitende Bits.
Hybride Quantennetzwerke
Ein hybrides Quantennetzwerk implementiert Elemente des klassischen Internets und von Quantennetzwerken in einem einzigen Netzwerk. Eine Integration könnte die Sicherheit durch QKD erhöhen. Das No-Cloning-Theorem verhindert die Entstehung doppelter Kopien eines Quantenzustands, aber Redundanz ist in Unternehmensumgebungen notwendig. Darüber hinaus sind Quantennetzwerke fehleranfällig. Netzwerkadministratoren können Fehlerkorrekturgeräte in Quantennetzwerken einsetzen, um Fehler zu eliminieren.
Das Quanteninternet könnte Supercomputing in den Schatten stellen
Die Begriffe Quanten-Networking und Supercomputing scheinen zusammenzuhängen, aber in der Praxis sind Supercomputer ein Anwendungsfall des klassischen Internets. Ein Supercomputer ist ein universeller Rechner, der mit Bits arbeitet, um langwierige, komplexe Berechnungen durchzuführen und große Datenmengen zu verarbeiten. Selbst in der Anfangsphase kann das Quanteninternet Quantencomputern helfen, das jahrzehntelange Erbe von Supercomputern in Echtzeit anzutreten und ihre Leistung zu übertreffen.
Supraleitende Bits
Unter supraleitendem Quanten-Computing versteht man die Integration von Supraleitern und Quantennetzwerken. Mit anderen Worten: Supraleitende Bits entstehen in supraleitenden Schaltungen. Supraleiter ersetzen die Halbleiterhardware. Experten sagen voraus, dass das Quanteninternet in Zukunft auf supraleitungsbasierten Geräten laufen wird, um Quanten-Cloud-Computing zu ermöglichen.
Quanteninternet: Web x.0
Das klassische Internet entwickelte sich zunächst als Web 1.0 in den 90er Jahren und bot den Nutzern eine statische Kontrolle über das Internet. In der zweiten Phase, dem Web 2.0, ging es um die dynamische Social-Media-Revolution, die sich auf die Vernetzung der Nutzer konzentrierte. Die jüngste Iteration, Web 3.0, fokussiert sich auf Dezentralisierung und Besitz.
Experten betrachten das Konzept von Web 4.0 als eine KI-Integration physischer und virtueller Welten. Das Quanteninternet könnte den Entwicklungsstufen von Web 4.0 oder jeder anderen zukünftigen Iteration des Webs einen Schritt voraus sein. Das Quanteninternet könnte zu einem hackerfreien, schnellen und einzigartigen Internet führen.
