Quanteninternet: Die nächste Revolution in der digitalen Kommunikation

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  Quantumrun-Vorausschau
• 19. Juli 2022

Zusammenfassung der Einblicke

Obwohl das Internet die Gesellschaft verändert hat, weist es Sicherheitslücken auf, die die Erforschung des Quanteninternets vorantreiben. Quantensysteme nutzen Qubits, die die Verarbeitung von Informationen auf grundlegend andere Weise ermöglichen und einzigartige Herausforderungen und Chancen mit sich bringen. Jüngste Durchbrüche bei der Stabilisierung von Quantenzuständen öffnen Türen für die Quantenverschlüsselung und versprechen eine verbesserte Datensicherheit, eine schnellere Datenübertragung und branchenübergreifende transformative Auswirkungen.

Quanteninternet-Kontext

Während das Internet die moderne Gesellschaft revolutioniert hat, ist es nach wie vor voller Sicherheitslücken, die digitale Ökosysteme und kritische öffentliche Infrastrukturen gefährden. Um diese Schwächen anzugehen, untersuchen Forscher nun die Möglichkeiten, die ein Quanteninternet bietet, das möglicherweise früher als bisher prognostiziert Realität wird.

Herkömmliche Computersysteme führen Anweisungen gemäß Bits (oder Binärziffern) mit einem Einzelwert von 0 oder 1 aus. Bits sind auch die kleinstmögliche Dateneinheit, die von Computern verwendet wird. Quantensysteme haben die Befehlsausführung auf die nächste Ebene gebracht, indem sie Bits ähnlich wie herkömmliche Computer verarbeiten, aber auch Qubits nutzen, die es ihnen ermöglichen, Nullen und Einsen gleichzeitig zu verarbeiten. Diese Qubits existieren in fragilen Quantenzuständen, die schwer in stabiler Form zu halten sind und eine Herausforderung für Quantencomputerforscher darstellen. 

Doch im Jahr 2021 gelang es Forschern des japanischen Mischkonzerns Toshiba, die Umgebung in Glasfaserkabeln über 600 Kilometer zu stabilisieren, indem sie rauschunterdrückende Wellen durch die Glasfaserleitungen schickten. In China entwickeln Forscher eine satellitengestützte Methode zum Aufbau eines integrierten Quantenkommunikationsnetzwerks vom Weltraum zur Erde mit einer Länge von 4,600 Kilometern – dem größten seiner Art.

Diese Entwicklungen haben die Tür für eine quantenbasierte Verschlüsselung in einem Quanteninternet geöffnet. Dementsprechend machen es die physikalischen Gesetze der Quantenschlüsselverteilung (QKD) unmöglich, sie zu hacken, da jede Interaktion mit ihnen die verschränkten Zustände der beteiligten Teilchen verändern und das System darauf aufmerksam machen würde, dass jemand mit ihnen interagiert hat. Auch die Drei-Wege-Verschränkung wurde erfolgreich demonstriert und ermöglichte es drei Benutzern, geheime Informationen in einem engen Netzwerk auszutauschen.

Störende Wirkung 

Quantenkommunikation verspricht, die wichtigsten Daten für Regierungen und Organisationen zu schützen. In der nationalen Sicherheit wird dies zu einem unverzichtbaren Instrument, da es sicherstellt, dass Verschlusssachen, militärische Kommunikation und kritische Infrastrukturdaten vor Cyber-Bedrohungen geschützt bleiben. Dieses erhöhte Sicherheitsniveau bietet einen Schutz vor potenziellen Angriffen von Quantencomputern, die herkömmliche kryptografische Systeme gefährden könnten.

Darüber hinaus kann das Quanteninternet die Übertragung großer Datenmengen über große Entfernungen erleichtern und verspricht exponentielle Verbesserungen der Netzwerkverarbeitungsgeschwindigkeiten. Im Finanzsektor können Hochfrequenzhandel und Marktanalysen in Echtzeit es Händlern ermöglichen, Entscheidungen in Sekundenbruchteilen zu treffen. In der Zwischenzeit können Astronomen Echtzeitdaten von Teleskopen auf der ganzen Welt empfangen, was zu einem tieferen Verständnis des Kosmos führt, während Teilchenphysiker riesige, von Teilchenbeschleunigern erzeugte Datensätze ohne Verzögerung analysieren und so das Tempo wissenschaftlicher Entdeckungen beschleunigen können.

Man muss jedoch auch die potenziellen Sicherheitsherausforderungen berücksichtigen, die Quantengeräte und -netzwerke mit sich bringen. Quantencomputer sind mit ihrer unübertroffenen Verarbeitungsgeschwindigkeit und Rechenleistung in der Lage, traditionelle kryptografische Systeme zu knacken, die die Grundlage für die Sicherheit der heutigen digitalen Welt bilden. Um dieses Problem anzugehen, müssen Regierungen, Organisationen und Unternehmen möglicherweise in Post-Quanten-Kryptografie investieren. Der Übergang zur quantensicheren Verschlüsselung ist keine einfache Aufgabe, da er die Aktualisierung der gesamten digitalen Infrastruktur erfordert.

Auswirkungen der Quantenverarbeitung in der Kommunikationsbranche 

Zu den weiterreichenden Auswirkungen der allgemeinen Verfügbarkeit eines Quanteninternets könnten gehören:

• Regierungen und Unternehmen investieren erheblich in die Entwicklung und Wartung von Quantennetzwerken und -technologien, was erhebliche finanzielle Ressourcen und strategische Planung erfordert.
• Die geopolitische Landschaft verändert sich, da die Nationen danach streben, ihre eigene Quanteninternet-Infrastruktur zu sichern, was zu einem verstärkten internationalen Wettbewerb und einer stärkeren Zusammenarbeit im Bereich der Quantentechnologie führt.
• Einzelpersonen und Organisationen erhalten Zugang zu hochsicheren und privaten Kommunikationstools, was einen vertraulichen Austausch ermöglicht, aber auch Bedenken hinsichtlich des möglichen Missbrauchs dieser Technologie für illegale Zwecke aufkommen lässt.
• Die Gesundheitsbranche erlebt Fortschritte in der medizinischen Forschung, der Arzneimittelentwicklung und der personalisierten Medizin.
• Neue Beschäftigungsmöglichkeiten in Bereichen mit Bezug zur Quantentechnologie steigern die Nachfrage nach qualifizierten Fachkräften in den Bereichen Quantencomputing, Kryptographie und Netzwerksicherheit.
• Der Energiebedarf von Quantengeräten und -netzwerken wirkt sich auf den Stromverbrauch aus und erfordert die Entwicklung energieeffizienter Quantentechnologien.
• Verstärkte internationale Zusammenarbeit in der Quantenforschung und bei Standards, die Kompatibilität und Sicherheit in einem global vernetzten Quanteninternet gewährleisten.

Fragen zu berücksichtigen

• Wie werden Ihrer Meinung nach das Quanteninternet und die privaten Quantenkommunikationsnetze der Öffentlichkeit noch zugute kommen? Oder Privatwirtschaft?
• Glauben Sie, dass klassisches, bitbasiertes Computing auch dann noch bestehen wird, wenn quantenbasierte Technologien es ablösen werden? Oder werden die beiden Rechenverfahren je nach Stärken und Schwächen im Gleichgewicht stehen?