Die Nützlichkeit von Quantencomputern ist ein heiß diskutiertes Thema, von denen, die es für Quacksalber halten, bis zu anderen, die sagen, es sei die Zukunft des Rechnens. Unabhängig davon investieren Wissenschaftler Milliarden von Forschungsdollar in den Nachweis kommerzieller Nutzungen wie eines hackfesten Quanteninternets. ⁃ TN Editor
TDer Schnellzug von Paris nach Rotterdam verließ den Gare du Nord mit einer Stunde Verspätung. Als es mich schließlich in der niederländischen Stadt abstellte, stellte ich fest, dass der Weiterzug nach Delft wegen Wartungsarbeiten an den Gleisen eingestellt worden war. Es dauerte zwei Umwege und eine Taxifahrt, bis ich endlich mein Ziel erreichte.
Angesichts der Tatsache, dass ich dort war, um etwas über die Zukunft der Kommunikation zu erfahren, schien dies angemessen. Meine Reise war eine Erinnerung daran, dass die Verschiffung von Menschen von Ort zu Ort immer noch mit unvorhergesehenen Störungen behaftet ist, aber jeden Tag riesige Datenmengen reibungslos und schnell durch die Glasfaserkabel fließen, die Städte, Länder und ganze Kontinente verbinden.
Und doch haben diese Datennetze eine Schwäche: Sie können gehackt werden. Unter den geheimen Dokumenten, die vor einigen Jahren vom Auftragnehmer der US National Security Agency, Edward Snowden, durchgesickert waren, befanden sich solche, die zeigten, dass westliche Geheimdienste es geschafft hatten Kommunikationskabel anzapfen und spionieren Sie den riesigen Verkehr aus, der durch sie fließt.
Das Forschungsinstitut, das ich in Delft besuchte, QuTecharbeitet an einem System, das eine solche Überwachung unmöglich machen könnte. Die Idee ist, die Quantenmechanik zu nutzen, um bis zum Ende von 2020 ein makellos sicheres Kommunikationsnetz zwischen Delft und drei weiteren Städten in den Niederlanden aufzubauen (die geplanten Verbindungen finden Sie auf der Karte unten).
Die QuTech-Forscher unter der Leitung von Stephanie Wehner und Ronald Hanson stehen immer noch vor einer Reihe gewaltiger technischer Herausforderungen. Gelingt ihnen dies jedoch, könnte ihr Projekt ein zukünftiges Quanten-Internet katalysieren - ähnlich wie Arpanet, das das US-Verteidigungsministerium in den späten 1960-Jahren ins Leben gerufen hat, die Schaffung des Internets, wie wir es heute kennen.
Unnachahmliche Qubits
Das Internet ist anfällig für die von Snowden aufgedeckten Hackerangriffe, da die Daten immer noch in Form klassischer Bits über Kabel übertragen werden - ein Strom von elektrischen oder optischen Impulsen, die repräsentativ sind 1s und 0s. Ein Hacker, der es schafft, die Kabel anzuzapfen, kann diese Bits während der Übertragung lesen und kopieren.
Die Gesetze der Quantenphysik erlauben es andererseits einem Teilchen - zum Beispiel einem Atom, einem Elektron oder (zum Übertragen entlang optischer Kabel) einem Photon des Lichts - einen Quantenzustand einzunehmen, der eine Kombination von darstellt 1 und 0 gleichzeitig. Ein solches Teilchen wird Quantenbit oder Qubit genannt. Wenn Sie versuchen, ein Qubit zu beobachten, „kollabiert“ sein Zustand zu einem von beiden 1 or 0. Dies, erklärt Wehner, bedeutet, dass der Eindringling, wenn ein Hacker auf einen Strom von Qubits zugreift, die Quanteninformationen in diesem Strom zerstört und ein klares Signal hinterlässt, dass er manipuliert wurde.
Aufgrund dieser Eigenschaft werden Qubits seit geraumer Zeit zum Generieren von Verschlüsselungsschlüsseln in einem als Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) bekannten Prozess verwendet. Hierbei werden Daten in klassischer Form über ein Netzwerk gesendet, während die zum Entschlüsseln der Daten erforderlichen Schlüssel separat in einem Quantenzustand übertragen werden.
China hat einige beeindruckende Anwendungen von QKD demonstriert. Letztes Jahr benutzte es einen Satelliten namens Micius, um Quantenschlüssel übertragen zu zwei Bodenstationen, eine in Peking und die andere in Wien. Die Schlüssel wurden dann verwendet, um klassische Daten für einen sicheren Videoanruf zwischen den beiden Städten zu entschlüsseln. Jeder Versuch, die Kommunikation mit den Schlüsseln abzufangen, hätte sie zerstört und es den Spionen (oder anderen) unmöglich gemacht, den Videoanruf zu entschlüsseln. China hat außerdem ein landgestütztes QKD-Kommunikationsnetz von Peking nach Shanghai aufgebaut, über das Banken und andere Unternehmen vertrauliche Geschäftsdaten übermitteln.
Der Ansatz weist jedoch Einschränkungen auf. Photonen können in der Atmosphäre oder durch Materialien in Kabeln absorbiert werden, was bedeutet, dass sie sich normalerweise nur einige zehn Kilometer lang bewegen können. Das Peking-Shanghai-Netzwerk umgeht dies, indem es an verschiedenen Stellen so genannte „vertrauenswürdige 32-Knoten“ hat - ähnlich wie bei Repeatern, die das Signal in einem normalen Datenkabel verstärken. An diesen Knoten werden Schlüssel in die klassische Form entschlüsselt und dann in einem neuen Quantenzustand für ihre Reise zum nächsten Wegpunkt neu verschlüsselt. Dies bedeutet jedoch, dass vertrauenswürdigen Knoten wirklich nicht vertraut werden sollte. Ein Hacker, der gegen seine Sicherheit verstößt, kann die klassischen Schlüssel unentdeckt kopieren, ebenso wie ein Unternehmen oder eine Regierung, die die Knoten verwaltet.
Quanten-Teleportation
Wehner, Hanson und ihre Kollegen bei QuTech wollen diese Einschränkungen überwinden, um ein vollständig sicheres Quanten-Internet aufzubauen.
Der Ansatz, den sie verwenden, heißt Quantenteleportation. Das mag nach Science Fiction klingen, ist aber eine tatsächliche Methode zur Datenübertragung. Es beruht auf einem Phänomen, das als Quantenverschränkung bekannt ist.
Verschränkung bedeutet, ein Paar Qubits - für diesen Zweck Lichtphotonen - in einem einzigen Quantenzustand zu erzeugen, so dass sie auch dann eine Quantenverbindung beibehalten, wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Durch Ändern des Zustands eines Photons wird der Zustand des anderen Photons sofort auf vorhersehbare Weise geändert, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Albert Einstein nannte dies "gruselige Aktion in der Ferne".
Für die Quantenteleportation müssen zuerst zwei verschränkte Photonen an zwei Personen gesendet werden - nennen Sie sie Alice und Bob. Alice empfängt ihr verschränktes Photon und lässt es mit einem „Speicher-Qubit“ interagieren, das Daten enthält, die sie an Bob senden möchte. Diese Wechselwirkung verändert den Zustand ihres Photons und damit auch den Zustand von Bobs Photon. Tatsächlich "teleportiert" dies die Daten in Alices Speicher von Alices Photon zu Bobs. In der folgenden Abbildung ist der Vorgang etwas detaillierter dargestellt.
Eine andere Art, es sich vorzustellen: Das verschränkte Photonenpaar ist wie die beiden Enden eines virtuellen, einmaligen Datenkabels. Jedes Mal, wenn Alice und Bob Daten senden möchten, erhalten sie zuerst ein neues Kabel, und da jedes von ihnen ein Ende hat, können nur sie es verwenden. Das macht es sicher vor Abhören.
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