Hva er kvanteinternett, og hvorfor vil det forandre nettet?

I dag lever vi limt til internett, men vi stopper sjelden opp for å tenke på hva som kommer etter internett vi bruker daglig. Mens vi sender meldinger, foretar videosamtaler eller overfører penger fra mobiltelefonene våre, utvikles en ny type nettverk i laboratorier og i virkelige tester: kvanteinternett, en infrastruktur designet for å koble kvanteenheter og beskytte informasjon med fysikkens lover, ikke bare matematikken.

Dette nye paradigmet er ikke ment å erstatte det konvensjonelle internettet vi kjenner i morgen, men det lover å fullstendig endre hvordan Vi beskytter kritiske data, distribuerer databehandling og måler verden med brutal nøyaktighetFra uspionerbare banknettverk til distribuerte sensorer for astronomi og ultrasikre sykehus, er spekteret av muligheter like stort som kompleksiteten bak det hele.

Hva er egentlig kvanteinternett?

Når vi snakker om kvanteinternett, refererer vi til et nettverk der elementene som utveksles ikke er enkle klassiske biter, men sammenfiltrede qubits som beveger seg gjennom kvantekanalerI stedet for å bare representere 0 eller 1, er disse qubittene avhengige av fenomener som superposisjon og entanglement for å kode og dele informasjon på en måte som ikke har noen tilsvarende i dagens teknologi.

I praksis vil kvanteinternett være et parallelt nettverk som sameksisterer med den tradisjonelle infrastrukturen. Den gjennomsnittlige brukeren vil fortsette å sjekke e-post, sosiale medier og meldinger over det tradisjonelle internettet. Klassisk internett basert på konvensjonelle protokoller og krypteringI mellomtiden vil kvantenettverk, i hvert fall i starten, forbli forbeholdt myndigheter, banker, store teknologiselskaper, helsevesen eller forsvar, hvor absolutt sikkerhet og avansert databehandling utgjør hele forskjellen.

Nøkkelen er at en kvantekanal ikke bærer data slik vi forstår det i dag (en e-post, et bilde eller en tekstmelding). WhatsApp), men ekstremt delikate kvantetilstander som koder informasjon i fotoner eller andre partikler som kvantebrikker som utveksler dataDisse tilstandene kan ikke kopieres uten å etterlate spor, noe som åpner døren for kommunikasjon der ethvert spionasjeforsøk umiddelbart kan oppdages.

Alt dette høres futuristisk ut, men det demonstreres allerede i praksis. Laboratorier i USA, Kina, Nederland og Europa kobler sammen kvantenoder ved hjelp av ekte optiske fibre i byer, tester sammenfiltringsprotokoller og sikker nøkkeldistribusjon som legger grunnlaget for en globalt kvantenettverk som kan distribueres over eksisterende fiber.

Fra klassisk til kvantedatamaskin: hvorfor vi trenger et nytt internett

For å forstå hvorfor vi trenger et kvanteinternett, må vi først se på hvordan internett fungerer. klassisk databehandling basert på bits og boolsk algebraModerne datamaskiner behandler informasjon ved å representere den som 0 eller 1, og hver transistor kan bare være i én av disse tilstandene til enhver tid. Vi kan gjøre dem mindre og raskere, men vi nærmer oss fysiske grenser der klassisk fysikk ikke lenger nøyaktig beskriver hva som skjer.

I motsetning til dette bruker en kvantedatamaskin elementærpartikler som elektroner eller fotoner til å representere qubits. Takket være superposisjon kan en qubit være i en kombinasjon av 0 og 1 samtidig, og med Sammenfiltring mellom flere qubits øker eksponentielt de mulige konfigurasjoneneDermed kan et register på bare 2 qubits samtidig kode de fire klassiske kombinasjonene (00, 01, 10, 11), og ved å legge til qubits vokser kapasiteten dramatisk.

Derav konseptet kvanteinternett: et nettverk designet for å fordele sammenfiltring og kvantetilstander mellom flere noder, slik at distribuert kvantedatabehandling, ikke-klonbar kommunikasjon og ultrapresis synkroniseringDet handler ikke bare om å øke hastigheten på tilkoblinger, men om å muliggjøre funksjoner som bokstavelig talt ikke finnes i dag.

Viktige fenomener: overlapping, sammenfiltring og ikke-kloning

Grunnlaget for hele dette oppsettet er kvantesuperposisjon. En qubit, som kan representeres som spinnet til et elektron eller polarisasjonen til et foton, er ikke tvunget til å velge mellom 0 eller 1 før vi måler det. Den kan forbli i en kombinasjon av begge verdiene uten å samhandle med omgivelseneDette tillater parallelle operasjoner på mange muligheter samtidig.

Den andre søylen er sammenfiltring. Når to partikler har samhandlet, kan de bli knyttet sammen på en slik måte at tilstanden til den ene korrelerer med den andre, selv om de er adskilt med stor avstand. Hvis vi måler den ene, bestemmer resultatet umiddelbart tilstanden til den andre, et fenomen som tillater protokoller som kvanteteleportering og nøkkeldistribusjon i brede nettverk.

En kritisk ressurs som kvanteinternettet arver fra kvanteteorien er ikke-kloningsteoremet: det er umulig å lage en perfekt kopi av en ukjent kvantetilstand. Dette, som kan virke som et problem for nettverksdesign, er faktisk en velsignelse for sikkerheten, fordi det betyr at ethvert forsøk på avlytting eller kopiering blir hindret. vil fremtvinge en detekterbar forstyrrelse av den opprinnelige tilstanden.

Den største fienden av alt det ovennevnte er dekoherens, det vil si tapet av kvanteegenskaper når systemet samhandler med omgivelsene sine. Kvantenettverk må minimere dette gjennom stabile kvanteminner, feilretting og protokoller for rensing av sammenfiltringEllers vil qubittene ende opp med å bli til støy før de når destinasjonen.

Arkitektur av kvantenettverk og typer distribusjon

Et kvantenettverk er ikke organisert akkurat som det klassiske internettet, selv om de deler visse konsepter: det finnes endenoder, lenker og mellomliggende elementer som minner om rutere. I kvanteverdenen er disse mellomliggende elementene kvante-repeatere, ansvarlige for å utvide rekkevidden av sammenfiltring over store avstander.

I litteraturen skilles det mellom tre hovedgenerasjoner av repeatere. Den første, som er nærmest nåværende implementeringer, er avhengig av etablering og rensing av sammenfiltring på en forhåndsbestemt måte; den andre introduserer kvantefeilkorreksjon for å håndtere driftsfeilDen tredje er nesten utelukkende basert på feilrettingskoder, noe som gir mulighet for mye lengre og mer robuste nettverk, selv om den fortsatt er langt fra å være kommersielt tilgjengelig.

Avhengig av omfang og mål, vurderes vanligvis tre typer kvantenettverk: modulære nettverk som kobler sammen kvanteprosessorer innenfor samme maskin eller datasenter, bakkenettverk basert på Fiberoptisk kabel er allerede installert i byer og intercity-strekninger, og kvantesatellittnettverk designet for å dekke kontinentale og globale avstander.

I disse arkitekturene spiller kvanteminner, i tillegg til repeatere, en nøkkelrolle, der qubits lagres midlertidig mens nettverksoperasjoner koordineres. Flere fysiske plattformer utforskes for tiden: fargesentre i diamanter, rubidiumdopede krystaller, nitrogenatomer eller faststoffsystemer integrert i fotoniske brikker.

En ytterligere utfordring er å integrere dette kvantelaget med det vanlige internettet. Noder må bruke klassiske kanaler for å koordinere operasjoner, utveksle kontrollsignaler og for eksempel sende den klassiske informasjonen som er nødvendig for å fullføre en kvanteteleportasjonResultatet vil bli et hybrid økosystem der stabler av klassiske og kvanteprotokoller sameksisterer.

Protokoller, nettverksstabler og rutingskompleksitet

Å designe «protokollstakken» for kvanteinternett handler ikke bare om å kopiere det vi allerede har i TCP/IP og sette på en kvanteetikett. Forskere som Meter, Wehner og Dür har foreslått forskjellige lagdelte arkitekturer som fokuserer på funksjoner som generering og håndtering av sammenfiltring, feilretting og tilkobling av kvanteapplikasjoner på høyt nivå.

Noen stabler er organisert rundt todelt sammenfiltring (to noder) med fysiske lag, lenkekontrolllag og tilstandsforplantningslag; andre bruker en tilnærming som ligner mer på klassiske nettverk, med fysiske lag, lenkelag, nettverkslag, transportlag og applikasjonslag; og det finnes forslag som primært er orientert mot Flerparts sammenfiltring, ideell for nettverk med mange samarbeidende noder.

Tilsynelatende enkle funksjoner som ruting eller programmering Ressursallokering blir et skikkelig puslespill. Å distribuere ende-til-ende-sammenfiltring på tvers av baner med endelige kvanteminner, probabilistiske operasjoner og dekoherens fører til optimaliseringsproblemer som er NP-hard, selv for simuleringerDet forskes på både reaktive strategier, som genererer forviklinger på etterspørsel, og proaktive ordninger, som distribuerer dem på forhånd i henhold til forventede bruksmønstre.

For å evaluere ytelsen til disse fortsatt embryonale nettverkene brukes spesifikke simuleringsrammeverk som NetSquid, SeQUeNCe eller QuantumMininet, som er i stand til å modellere kvanteprosesser, ventetider i minnet og driftsfeilDe virkelige testmiljøene forblir beskjedne i størrelse, med eksperimenter som hovedsakelig fokuserer på kvantenøkkelfordeling og sammenfiltringslenker over avstander på titalls eller i noen tilfeller hundrevis av kilometer.

Kvantekryptografi og kommunikasjon umulig å spionere på

Hvis det er ett felt der kvanteinternettet virkelig skinner, er det innen sikkerhet. Kvantekryptografi utnytter egenskapene til fotoner og Heisenbergs usikkerhetsprinsipp for å lage krypteringssystemer som i teorien er ugjennomtrengelig hvis den implementeres riktigHovedideen er enkel: du kan ikke måle kvantetilstanden til et foton uten å modifisere det.

I et typisk kvantenøkkelfordelingsskjema (QKD) er den hemmelige nøkkelen kodet i polariseringen av individuelle fotoner. Hver orientering kan representere en binær 0 eller 1, og sekvenser av disse fotonene brukes til å konstruere bitstrenger som vil fungere som nøkkelen for en klassisk symmetrisk kryptering. Ethvert forsøk på å fange opp fotonene introduserer detekterbare feil i den delte sekvensen, som varsler de legitime partene.

Denne tilnærmingen står i kontrast til dagens klassiske kryptering, som er avhengig av vanskelige matematiske problemer, som å faktorisere store tall. Med tilstrekkelig kraftige kvantedatamaskiner og passende algoritmer kan disse forsvarsmekanismene brytes, noe en rekke studier forventer. kvanterisiko, og advarer om at mange av dagens systemer kan bryte sammen på under et tiår.

Faktisk finnes det allerede en aktiv trussel kjent som «lagre nå, dekryptere senere» (SNDL). Den består av å fange og lagre kryptert kommunikasjon i dag i et forsøk på å dekryptere den i fremtiden med kraftigere kvantedatamaskiner. Alt som fortsatt vil være sensitivt om 10 eller 15 år –medisinske journaler, forretningshemmeligheter, ikke-fornybare passord, juridisk dokumentasjon– er potensielt i søkelyset.

Kvantenettverk tillater at QKD komplementeres med postkvantekryptografi (klassiske algoritmer designet for å motstå kvanteangrep), noe som fører til «kvantesikre» infrastrukturer som beskytter både sanntidskommunikasjon og lagrede data. Operatører som Telefónica distribuerer allerede hybridnettverk som kombinerer QKD, post-quantum TLS og eksisterende fiber. for å sikre sykehus, banker eller kritiske systemer.

Kvantesikkerhet: hvordan cybersikkerhet forbereder seg på kvanteæraen

Innen industri- og telekommunikasjonssektoren snakkes det allerede om «kvantesikre» nettverk: infrastrukturer som er forberedt på å tåle en verden der det finnes kvantedatamaskiner som er i stand til å bryte krypteringene som brukes i dag. Disse løsningene kombinerer QKD, standardiserte postkvantealgoritmer og avansert nøkkeladministrasjon, og har blitt testet i virkelige miljøer i årevis.

Mellom 2010 og 2014 fant en innledende utforskningsfase sted, med forsøk i laboratorier som Telefónicas teknologilaboratorium i Madrid. Fra 2015 og utover dukket de første hybride pilotnettverkene opp, og store operatører begynte å delta i europeiske prosjekter som OPENQKD eller Quantum Flagship for å teste storbyregionale distribusjonerFra 2021 til 2023 ble det allerede sett eksempler på reelle bruksområder i sektorer som bank, energi og helsevesen.

I den nåværende fasen (2024–2025) er trenden å integrere kvantesikkerhetsbeskyttelse direkte på den utplasserte fiberen, som kobler sammen sykehus, datasentre og hovedkvarterer med Ende-til-ende-kryptering motstandsdyktig mot kvanteangrepFor perioden 2026–2030 forventes en gradvis oppskalering mot masseadopsjon av Q-Safe-standarder innen kommunikasjon, skytjenester og . Cybersecurity.

Praktiske bruksområder spenner fra å beskytte bankoverføringer, kritiske videosamtaler mellom kontorer og autentisering mellom finansinstitusjoner, til kryptering av sensitive medisinske data og sikring av smarte nett. Arbeidet er allerede i gang med kvantesikre signaturer og sertifikater integrert i eSIM-er og enheter IoT, styrker beskyttelsen av sensorer, smarte målere og industrielle kontrollsystemer.

Selv i taktiske og militære miljøer blir kvantesikre nettverk sett på som en nøkkelkomponent for å kommandere og kontrollere enheter, dele klassifisert informasjon mellom etater og operere over private 5G-nettverk. Lav latens og robust kryptering mot fremtidige truslerKvanteinternett vil derfor være en sentral brikke i puslespillet rundt digitalt forsvar og suverenitet.

Eksperimentelle fremskritt: fra teori til byasfalt

Inntil nylig var de fleste forslagene til kvanteinternett enten teoretiske skjemaer eller svært delikate laboratorieoppsett. Det er i endring. I april 2025 presenterte en artikkel publisert i Optica Quantum av team fra Rochester Institute of Technology, University of Rochester og andre institusjoner en hybridplattform basert på ikke-lineære krystaller og integrerte fotoniske kretser i stand til å generere og håndtere par av sammenfiltrede fotoner under realistiske forhold.

Systemet bruker en PPKTP-krystall (periodisk polarisert kaliumtitanylfosfat) som, når den pumpes med passende lys, produserer par av sammenfiltrede fotoner med forskjellige bølgelengder: en i det synlige området (656 nm) og den andre i telekommunikasjonsbåndet (1536 nm), kompatibel med standard optisk fiber. Detektering av det synlige fotonet bekrefter tilstedeværelsen av dets motpart i telekommunikasjonsbåndet, og muliggjør dermed visse ordninger. "Varslede" fotoner som forbedrer pålitelighet av kommunikasjon.

Den virkelige innovasjonen er at manipuleringen og deteksjonen av disse fotonene skjer i en integrert, kompakt og stabil fotonisk brikke, uten behov for friromsoptikk eller enorme og dyre superledende detektorer. Selve brikkens silisium fungerer som ... støyfilter, som undertrykker pumpelys og forbedrer signal-til-støy-forholdet, noe som forenkler systemet betraktelig.

De målte, ikke bare simulerte, resultatene er betydelige: fotonpargenereringsrater på opptil 67 millioner per sekund, med effektivitet som nærmer seg de forventede teoretiske grensene. Likevel lider systemet av koblingstap ved overgangen fra krystall til brikke og noe uønsket fluorescens, problemer forfatterne planlegger å ta tak i med optimaliserte bølgelederdesign og materialer med lavere støy.

Et spesielt lovende aspekt er erstatningen av kryogene detektorer med SPAD-skreddioder som tåler romtemperatur. Dette betyr at disse nodene kan utplasseres i konvensjonelle miljøer utenfor laboratoriet, for eksempel telekommunikasjonssentre eller datasentreå bringe kvanteinternett nærmere en operativ virkelighet.

I en av de mest slående testene ble enheten koblet til RoQNET (Rochester Quantum Network), en 38 kilometer lang sløyfe mellom RIT og University of Rochester. Til tross for tap på over 23 dB, var den i stand til å oppdage sammenfiltringer av fotoner, noe som demonstrerer at teknologien er Kompatibel med eksisterende fiberoptisk infrastruktur og skalerbar til byavstander.

Kvantenettverk i byer: minner om diamant, rubidium og nitrogen

Ved siden av disse integrerte fotoniske fremskrittene har andre team klart å sende og lagre qubits over fiberoptiske nettverk som allerede er distribuert i byer som Boston og byer i Kina og Nederland. Målet er å teste hvordan qubitsene oppfører seg. sammenflettet i urbane miljøer med vibrasjoner, temperaturendringer og reell støy.

I USA har Harvard-forskere brukt silisiumatomer innebygd i diamantkrystaller som kvanteminne. Ved å utnytte byens fiberoptiske nettverk gjorde de det mulig for kvanteinformasjon å fullføre en sløyfe på omtrent 35 kilometer, noe som demonstrerer at disse defektene i diamant kan... lagre qubits tiden tilstrekkelig for nettverksdrift.

I Kina valgte et team fra University of Science and Technology rubidiumdopede krystaller, et alkalimetall som er mye brukt i kvanteeksperimenter. Takket være den relativt lange levetiden til disse minnene og en godt designet hovedserver, kunne de sende qubits som reiste omtrent 12,5 kilometer innenfor byen, og opprettholde kvantekorrelasjoner som kan brukes til nøkkeldistribusjon eller teleportering.

I Nederland brukte forskere nitrogenatomer i diamanter som minner og koblet sammen to kvantedatamaskiner 10 kilometer fra hverandre ved hjelp av et 25 kilometer langt fiberoptisk nettverk med en sentral server. Hver av disse tilnærmingene veier fordeler og ulemper ved ulike fysiske plattformer, men alle peker på muligheten for storbykvantenettverk støttet på eksisterende fiberinfrastruktur.

Selv om disse oppsettene fortsatt er i eksperimentfasen og utbredt kommersiell bruk er år unna, er miljøet enige om at de er gigantiske skritt. Noen prosjektledere anslår at innen utgangen av dette tiåret kan sammenflettede lenker på omtrent 1.000 kilometer oppnås ved hjelp av rundt ti veldesignede mellomliggende noder, noe som bringer ideen om en kontinentalt kvantenettverk som komplementerer kvantesatellittene.

Bruksområder: ekstrem sikkerhet, distribuert databehandling og kvantesensorer

Potensialet til kvanteinternett går langt utover nøkkeldistribusjon. En av de viktigste brukskategoriene er forbedret sikkerhet: kvantenøkkeldistribusjon for ubetinget sikker kryptering. Blind kvantedatabehandling der du delegerer beregninger uten å avsløre dataene dine, og kvantedigitale signaturer som tillater autentisering uten mulighet for forfalskning uten å bli oppdaget.

Et annet sterkt område er forbedret databehandling, der flere kvantedatamaskiner kobles sammen for å håndtere oppgaver som ville overskride kapasiteten til en enkelt enhet. Dette inkluderer distribuerte kvantedatamaskiner og føderert kvantemaskinlæring, som vil tillate modeller å bli trent i samarbeid samtidig som personvernet opprettholdes fra lokale data.

Det finnes også en rekke spesialiserte applikasjoner innen metrologi og grunnleggende vitenskap. Kvantesensornettverk kan koordinere ultrapresis sensorer for astronomi, geofysikk eller materialutforskning, mens synkronisering av distribuerte kvanteklokker tillater forbedre nøyaktigheten til navigasjonssystemer, finansmarkeder og strømnettHer tjener kvantekorrelasjoner til å øke følsomheten for enhver klassisk grense.

Innen forretningssfæren utforsker sektorer som bank og helsevesen allerede spesifikke bruksområder. Finansinstitusjoner tester QKD og postkvantealgoritmer for Beskytt overføringer, kommunikasjon mellom nettsteder og autentiseringer mellom institusjonerSykehus kobler operasjonsstuer og eksterne pasientovervåkingssystemer til kryptering som er motstandsdyktig mot kvanteangrep, noe som minimerer risikoen for eksponering av sensitive data.

Til slutt kan smarte byer og kritisk infrastruktur – energi, transport, vann – stole på kvantesikre nettverk for å beskytte den enorme mengden data som genereres av sensorene og kontrollsystemene deres. Kvantebestandige sertifikater og signaturer på enheter og private 5G-nettverk vil muliggjøre dette. for å forhindre fjernmanipulasjon, avlytting eller storskala sabotasje i en situasjon der digital avhengighet fortsetter å vokse.

Hele dette økosystemet av teknologier og brukstilfeller viser at kvanteinternett ikke bare er en akademisk kuriositet, men en brikke som gradvis settes sammen oppå infrastrukturen vi allerede bruker hver dag, med mål om å tilby Kommunikasjon, databehandling og måling støttet av fysikkens dypeste lover i stedet for å utelukkende stole på den matematiske vanskelighetsgraden til noen få problemer.

Relatert artikkel:

Alt om kvantekommunikasjon: hvordan det fungerer og hvorfor det er fremtiden

Isaac

Lidenskapelig forfatter om verden av bytes og teknologi generelt. Jeg elsker å dele kunnskapen min gjennom å skrive, og det er det jeg skal gjøre i denne bloggen, vise deg alle de mest interessante tingene om dingser, programvare, maskinvare, teknologiske trender og mer. Målet mitt er å hjelpe deg med å navigere i den digitale verden på en enkel og underholdende måte.