Quantum Internet - wat is het, hoe werkt het? Voordelen. kwantum netwerk

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Recente studies uitgevoerd door Europese en Russische wetenschappers hebben aangetoond dat de beweging van kwantum- en klassieke informatie met succes naast elkaar kan bestaan binnen de grenzen van dezelfde glasvezeldatatransmissielijnen. Dit maakt het in de toekomst mogelijk om geleidelijk over te stappen van het gewone internet naar een netwerk gebaseerd op de paradoxen van elementaire deeltjes, het quantum internetnetwerk.

Versnellen in onderzoek

Er is een revolutie gaande in de computerindustrie. Natuurkundigen van de Universiteit van Pennsylvania hebben gezegd dat conventionele siliciumchips over vier jaar hun limiet zullen bereiken. Het zal niet mogelijk zijn om ze verder te verminderen, dus gewone computers hebben niet lang meer te leven.

Ze zullen worden vervangen door fundamenteel nieuwe technologieën, kwantumcomputers. In plaats van chips komen er elementaire deeltjes. Hierdoor is het mogelijk om de omvang drastisch te verkleinen en de productiviteit te verhogen. Tot nu toe zijn deze prototypes niet sneller dan een zwakke computer, maar het is slechts een kwestie van tijd. Door het meest krachtige potentieel te gebruiken, zal het op zijn beurt mogelijk zijn om sneller op te lossenproblemen en moeilijkheden bij de implementatie van een fundamenteel nieuw, kwantuminternet.

Mysteries van het kwantuminternet

Hoe werkt het kwantuminternet? Wat is het en wat is de essentie ervan? Het verschil is dat het gebaseerd is op de wetten van de kwantummechanica. Het is door wetenschappers omarmd als een heet, scherp veld dat kan worden gebruikt om fenomenen te beschrijven die niet volledig worden begrepen. Een daarvan is het foto-elektrisch effect.

De paradoxen van de kwantumfysica in dienst van de mensheid

Vandaag is het duidelijk: in onze nabije toekomst zal zo'n fenomeen als het kwantuminternet zijn intrede doen. Wat kan dit ons brengen of hoe zal het zijn? Misschien is dit een nieuwe sprong, vergelijkbaar met de introductie van halfgeleidertransistors in het verleden.

Het principe is gebaseerd op de eigenschap van superpositie en kwantumverstrengeling. Het heeft geen duidelijke spin, en bij het meten van een, toont de tweede het tegenovergestelde. Voor een vollediger begrip betekent dit dat elk elementair deeltje dat informatie draagt onzichtbaar verbonden is met zijn "verstrengelde" paar. Bovendien speelt de onderlinge afstand geen enkele rol, informatie wordt direct verzonden.

Door deze afwijkende wetten te gebruiken, ontstaan er grote kansen in de snelheid en vertrouwelijkheid van gegevensoverdracht. Het is onmogelijk om op deze manier verzonden informatie te onderscheppen zonder opgemerkt te worden: elke lezing laat sporen achter of vernietigt de originele informatie.

Snelheid is sneller dan gedacht

Wat betreft de nieuwste gegevens over het meten van gegevensoverdrachtsnelheid, ze verbazen onze verbeelding. Het overschrijdt de snelheid van het licht met tienduizend keer. Maar hoogstwaarschijnlijk zullen wetenschappers in de toekomst ontdekken dat de signaaloverdrachtsnelheid veel hoger is dan eerder bepaald, zoals het kwantuminternet. Wat betekent het? Wat kan dit ons opleveren? Misschien de overdracht van signalen naar voorheen ondenkbare afstanden in de ruimte en nieuwe ontdekkingen.

Nieuwe technologieën in fotonen

In de technologie om fotonen om te zetten in een informatiedrager, hebben Russische wetenschappers het gebruik ontdekt van kunstmatig gekweekte kristallen, namelijk diamanten.

Het blijkt dat wanneer licht door kristallen gaat, het de eigenschap van een vloeistof verkrijgt en druppels, draaikolken, golven begint te vormen. Het kan via alle kanalen worden gestuurd. Over het algemeen gedraagt het zich als een vloeistof. Het opnemen ervan kan zich met een zeer lage snelheid verspreiden of zelfs stoppen.

Dit is aan de ene kant erg interessant en erg belangrijk, omdat je hiermee licht kunt manipuleren en alles kunt doen, inclusief een fenomeen als een kwantum-internetnetwerk. Hierdoor kan het worden gebruikt als een informatieoverdrachtsagent. Nu is de belangrijkste drager een elektrische lading. Maar het is een onvolmaakt object. Daarom leidt elke beweging of versnelling van een elektrische lading tot energieverliezen die in de omgeving terechtkomen en de processor en microschakelingselementen verwarmen.

Het internet zelf kost de mensheid meer dan 5% van de energie die het produceert. Daarom zou de vervanging van een elektron door fotonen idealiter leiden tot een vermindering van het verlies van een kolossale hoeveelheid energie. Dienovereenkomstig zijn de kosten van internet zelfzal vallen.

Quantum internet in Rusland

Werken in Rusland op het kwantuminternet zijn uniek. Ondanks de lage financiering en allerlei obstakels hebben wetenschappers genoeg experimenten gedaan en een leidende positie op dit gebied bereikt.

Als resultaat zijn we erin geslaagd om een unieke instelling op hoog niveau te creëren. Het combineert experimentele en theoretische groepen en toegepast onderzoek. Dit instituut wordt deels gefinancierd door Gazprombank, deels door de staat in verschillende vormen. Dit is in ieder geval het voorbeeld dat de Russische wetenschap zou moeten volgen zonder ergens bij stil te staan.

Nieuwe gebieden veroveren

In de huidige ontwikkelingsfase van het kwantuminternet kunnen alleen gegevensbeschermingstechnologieën worden genoemd die gebruikmaken van kwantumcryptografie. Dergelijke netwerken zijn tegenwoordig vrij eenvoudige point-to-point-verbindingen. Wetenschappers streven naar samenwerkingsoplossingen die verschillende kanalen en versleutelingsmethoden combineren.

Als je de implementatie van het idee volgt, zullen de resultaten van Russische onderzoekers belangrijker zijn. Een voorbeeld is de single-photon emitter detector die wordt ontwikkeld aan het Kurchatov Institute.

Voor het bestaan van zo'n ontdekking als het kwantuminternet, moeten wetenschappers de moeilijkheden oplossen van het combineren van speciale apparatuur voor kwantumdatatransmissie en telecommunicatienetwerken die tegenwoordig bestaan.

De belangrijkste problemen liggen in de oplossing van schakelen en signaalversterking. Als je op kwantum gebaseerde informatie over een standaard optische vezel stuurt, gaat deze niet door de regenerator. Daarom is een oplossing om het signaal om te zetten in een elektrisch signaal en dan terug te keren naar de oorspronkelijke positie.

Vandaag is de limiet driehonderd kilometer. Dit is de afstand waarop het nodig is om het optische signaal te regenereren. We hebben ook een prototype van een kwantumschakelaar nodig. Het totale aantal problematische taken kan pas binnen tien jaar worden opgelost. Desalniettemin maken ze in wetenschappelijke kringen ruzie over de mogelijkheid om het kwantuminternet te "zadelen". Wat kan het opleveren en hoe kan het helpen? Vandaag is er geen eenduidig antwoord, maar de oplossing voor het probleem van het introduceren en beschikbaar stellen van dergelijke technologieën voor de gemiddelde burger zal zeker zijn kwaliteit van leven en veiligheid verbeteren.

Er komt een nieuw tijdperk aan

China heeft vandaag een ambitieus project opgesteld om 1200 kilometer kwantumnetwerktransmissie te maken met behulp van satelliet.

Op dit moment is een maximale afstand van honderd kilometer bereikt. Wetenschappers hebben ontwikkeld hoe het signaal te beschermen tegen de effecten van meteorologische omstandigheden. Het is echter waarschijnlijker dat deze sensatie niet te maken heeft met teleportatie, die elk jaar toeneemt, maar met kwantumcryptografie, met andere woorden, een nieuw gegevensversleutelingssysteem.

Een kwantumcode kan niet worden gehackt, om precies te zijn, wanneer deze wordt gehackt, verdwijnt informatie. In het tijdperk van cyberoorlogsvoering betekent dit onkwetsbaarheid. Kwantumcryptografie wordt al lang gebruikt door degenen die garanties zoekenveiligheid. Hoe Zwitserse banken een paar jaar geleden bijvoorbeeld gegevens over hun klanten begonnen uit te wisselen via een kwantumnetwerk. Tegenwoordig zijn ze beperkt tot een afstand van enkele tientallen kilometers. Het Russische Quantum Center bereidt zich voor om hetzelfde systeem te introduceren en om de transmissie van een kwantumsignaal via een ruimtesatelliet onder de knie te krijgen.

Introductie en implementatie

Ondertussen werd het eerste kwantum-internetnetwerk gelanceerd in St. Petersburg tussen twee universiteitsgebouwen in Rusland.

Informatie wordt verzonden met behulp van de wetten van de kwantumfysica. De slimste bedrijven en overheden investeren nu op dit gebied. De toekomstige technologie voor informatieoverdracht wordt geïmplementeerd op basis van de bestaande. Glasvezelkabel, vertrouwde computer, maar een nieuwe router en fotonengenerator.

Het bestaan van het nieuwe internet begint met een laser, waar de bron van enkele fotonen zich bevindt. Ze hebben een goede eigenschap om informatie op een veilige manier te verzenden. Een enkel foton kan niet worden gedeeld. De sleutel is zo gevormd dat lezen niet mogelijk is. Om van een foton een informatiedrager te maken, verandert het systeem van toestand, de fase van de trilling van de impulsgolf. Tegenwoordig is het ontwikkelingsniveau van kwantumtechnologie vergelijkbaar met hoe mobiele communicatie er dertig jaar geleden uitzag, nog vijf tot tien jaar zullen voorbijgaan en fotonquanta zal ons een veilig informatie-internet kunnen bieden.

Quantum internet in Kazan

Er is een kwantuminternetnetwerk gelanceerd in Tatarstan, de experimentele site bevindt zich in Kazan. Dit programmais een belangrijke prestatie in de ontwikkeling van kwantumcommunicatie in Rusland. Volgens wetenschappers is ze absoluut immuun voor aanvallen van hackers.

Vandaag de dag is de bescherming van ons internetnetwerk gebaseerd op de codering van wiskundige algoritmen, maar zelfs de meest complexe code kan worden gekraakt. Hoe krachtiger de rekencapaciteiten van hackers, hoe gemakkelijker en sneller het is om het coderingsalgoritme te berekenen.

De technologie die in het artikel wordt beschreven, wordt een nieuwe netwerkbeveiligingsstructuur. Quantum Internet in Kazan wordt gecombineerd tot vier knooppunten op een afstand van 30-40 kilometer van elkaar. De kosten van het kiezen tussen twee punten bedragen ongeveer honderdduizend dollar. In het experimentele gedeelte toonde het netwerk een quantum internetsnelheid van 117 kb/s op een afstand van twee en een halve kilometer. Dit resultaat is een orde van grootte hoger dan in Europese proeven. In het netwerk was de transmissieverliessnelheid van kwantumbits in het optische kanaal twintig dB. Dit komt overeen met een lijn van honderd kilometer lang.

Het is vermeldenswaard dat dit project de exploitatielijn van het telecommunicatienetwerk van Tattelecom-infrastructuur omvat.

Netwerk verbindt steden

In 2017 is het de bedoeling om een project te starten om nieuwe technologie te introduceren. Quantum Internet in Tatarstan maakt het mogelijk om kantoren in verschillende steden met elkaar te verbinden. Dit is een van de hoofdtaken van het Kazan Quantum Center KNITU-KAI en zijn leider. Kijkend naar hun successen, gelooft men zonder twijfel dat dit het geval zal zijn.