Bereits im Februar 2020 stellten Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums und der University of Chicago fest, dass sie eine Quantenverschränkung erreicht hatten – bei der das Verhalten eines Paares zweier winziger Teilchen gebunden wird, so dass ihre Zustände identisch sind -. Dies geschah in einem 83,7 km langen Netzwerk mit Quanten Loops in den Vororten von Chicago.
Sie fragen sich vielleicht, worum es bei all dieser Aufregung geht, wenn Sie kein Wissenschaftler sind, der mit der Quantenmechanik vertraut ist – das heißt mit dem Verhalten von Materie und Energie auf kleinstem Maßstab der Realität, das sich besonders von der Welt unterscheidet, die wir um uns herum sehen können.
Die Erforschung der Forscher könnte ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung einer neuen, viel leistungsfähigeren Version des Internets in den nächsten Jahrzehnten sein. Anstelle der Bits, die das moderne Netzwerk verwendet und die nur als 0 oder 1 ausgedrückt werden können, verwendet das zukünftige Quanteninternet Qubits von Quanteninformationen, die eine unendliche Anzahl von Werten annehmen können. (Ein Qubit ist eine Informationseinheit für einen Quantencomputer.)
Dies würde dem Quanteninternet mehr Bandbreite geben und es ermöglichen, ultraleichte Quantencomputer und andere Geräte zu verbinden und Anwendungen auszuführen, die mit dem Internet, das wir haben, einfach nicht möglich sind.
„Das Quanteninternet wird zur Plattform des Quantenökosystems, auf dem Computer, Netzwerke und Sensoren Informationen auf grundlegend neue Weise austauschen, wobei Sensorik, Kommunikation und Berechnung buchstäblich als eine Einheit zusammenarbeiten“, erklärt David Aushalom, Professor für Spintronik und Quanteninformation an der Schule. Molecular Engineering von Pritzker an der Universität von Chicago und einem Senior Fellow an der Argonne, der das Quantenschleifenprojekt leitete.
Was ist das Quanten-Internet?
Warum brauchen wir ihn und was macht er? Für den Anfang ist das Quanten-Internet kein Ersatz für das reguläre Internet, das wir heute haben. Es ist vielmehr eine Ergänzung dazu. Er könnte sich um einige der Probleme kümmern, die das aktuelle Internet stören. Zum Beispiel bietet das Quanten-Internet einen besseren Schutz vor Hackern und Cyberkriminellen. Wenn Alice in New York über das Internet eine Nachricht an Bob in Kalifornien sendet, ist diese Nachricht derzeit mehr oder weniger geradlinig von Küste zu Küste. Unterwegs werden die Signale, die die Nachricht übertragen, verschlechtert. Repeater lesen Signale, verstärken und korrigieren Fehler. Aber dieser Prozess ermöglicht es Hackern, die Nachricht zu “knacken” und abzufangen.
Quantum Messaging hat dieses Problem nicht. Quantennetzwerke verwenden Lichtphotonenteilchen, um Nachrichten zu senden, die gegen Cyberangriffe immun sind. Anstatt eine Nachricht mit mathematischer Komplexität zu verschlüsseln, werden wir uns auf die speziellen Regeln der Quantenphysik stützen, so Ray Newell, ein Forscher am Los Alamos National Laboratory. Mit Quanteninformationen können Sie sie nicht kopieren oder teilen, und Sie können sie nicht einmal betrachten, ohne sie zu ändern. Wenn Sie lediglich versuchen, die Nachricht abzufangen, wird die Nachricht zerstört, wie das Protokollprotokoll feststellt. Dies würde alles viel sicherer machen als das, was heute verfügbar ist.
“Der einfachste Weg, das Konzept des Quanteninternets zu verstehen, ist das Konzept der Quantenteleportation”, sagt Sumit Khatri, Forscher an der Louisiana State University in Baton Rouge. Er und seine Kollegen schrieben einen Artikel über die Möglichkeit eines weltraumgestützten Quanteninternets, in dem Satelliten kontinuierlich verschränkte Photonen auf die Erdoberfläche senden, wie im Artikel “Technologieübersicht” beschrieben.
“Quantenteleportation ist nicht so, wie es sich ein Nichtwissenschaftler in Bezug auf das, was er in Science-Fiction-Filmen sieht, einfallen lassen könnte”, sagt Khatri. Bei der Quantenteleportation teilen sich zwei Personen, die kommunizieren möchten, ein Paar verschränkter Quantenteilchen. Dann kann der Sender durch eine Reihe von Operationen beliebige Quanteninformationen an den Empfänger senden (obwohl dies nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit erfolgen kann). Diese Sammlung gemeinsamer Verstrickungen zwischen Paaren von Menschen auf der ganzen Welt bildet im Wesentlichen das Quanten-Internet. Die Hauptforschungsfrage ist, wie diese verwickelten Paare am besten unter Menschen verteilt werden können, die auf der ganzen Welt verteilt sind. '
Sobald dies in großem Maßstab möglich ist, wird das Quanten-Internet so erstaunlich schnell, dass die Fernuhren laut Cosmos-Magazin etwa tausendmal genauer synchronisiert werden als die besten heute erhältlichen Atomuhren. Dies würde die GPS-Navigation viel genauer machen als heute und das Gravitationsfeld der Erde so detailliert anzeigen, dass Wissenschaftler das Pulsieren von Gravitationswellen bemerken könnten. Es könnte auch Photonen ermöglichen, sich von entfernten Teleskopen mit sichtbarem Licht über die Erde zu teleportieren und sie zu einem riesigen virtuellen Observatorium zu verbinden.
“Sie könnten möglicherweise Planeten um andere Sterne sehen”, sagt Nicholas Peters, Teamleiter für Quanteninformationswissenschaft am Oak Ridge National Laboratory.
Probleme beim Aufbau eines Quanteninternets.
Bevor dies jedoch geschehen kann, müssen die Forscher herausfinden, wie ein Quanten-Internet aufgebaut werden kann, und angesichts der seltsamen Merkmale der Quantenmechanik wird es nicht einfach sein. “In der klassischen Welt kann man Informationen verschlüsseln und speichern, ohne dass sie zerstört werden”, sagt Peters. “In der Quantenwelt codieren Sie Informationen und sie beginnen fast sofort zu verfallen.”
Ein weiteres Problem besteht darin, dass es schwierig ist, eine Wechselwirkung mit der Außenwelt zu verhindern, da die Energiemenge, die Quanteninformationen entspricht, sehr gering ist. Heutzutage „arbeiten Quantensysteme in vielen Fällen nur bei sehr niedrigen Temperaturen“, sagt Newell. “Eine andere Alternative ist, im Vakuum zu arbeiten.”
Newell sagt, dass wir zum Erstellen einer Quanten-Internet-Funktion eine Art Hardware benötigen, die noch nicht entwickelt wurde. Daher ist es schwierig, genau zu sagen, wann das Quanten-Internet eingeführt wird, obwohl einige Wissenschaftler vermuten, dass dies bereits 2030 geschehen könnte.
