Dezember 5, 2022

KLE-Was.de

Finden Sie alle nationalen und internationalen Informationen zu Deutschland. Wählen Sie im City Stuff Magazin die Themen aus, über die Sie mehr erfahren möchten

Chicagoer Quantentechnologieforschung könnte zu einem sichereren Internet führen

Chicagoer Quantentechnologieforschung könnte zu einem sichereren Internet führen

Quantenforschung am Labor der University of Chicago könnte dazu beitragen, Hacking zu verhindern und ein zukünftiges Netzwerk von Supercomputern zu verbinden

Laserköpfe unten und Lasercontroller oben im Quantum Computing Lab des Eckhardt Research Center der University of Chicago.
Laserköpfe unten und Lasercontroller oben im Quantum Computing Lab des Eckhardt Research Center der University of Chicago. (Taylor Glasscock für die Washington Post)

CHICAGO – Das Geheimnis eines sichereren und leistungsfähigeren Internets, das vielleicht unmöglich zu knacken ist, befindet sich möglicherweise in einem Kellerschrank, in den Besen und Mopps zu passen scheinen.

Die 3 Fuß breite Kammer, die sich in den Eingeweiden des Labors der Universität von Chicago befindet, enthält ein dünnes Regal mit Geräten, die unauffällig Quantenteilchen in ein Glasfasernetz feuern. Das Ziel: die kleinsten Wesen der Natur zu nutzen, um Informationen unter unzerbrechlicher Verschlüsselung auszutauschen – und schließlich ein Netzwerk von Quantencomputern zu verbinden, die zu massiven Berechnungen fähig sind.

Das bescheidene Drumherum des Geräteschranks LL211A täuscht über die Bedeutung eines Projekts an der Spitze eines der wichtigsten Technologiewettbewerbe der Welt hinweg. Die vereinigten Stadten , China Andere konkurrieren darum, die besonderen Eigenschaften von Quantenteilchen zu nutzen, um Informationen auf leistungsstarke neue Weise zu verarbeiten – eine Technologie, die den von ihnen dominierten Ländern wirtschaftliche und nationale Sicherheitsvorteile bringen könnte.

Quantitative Forschung ist für die Zukunft des Internets so wichtig, dass sie neue Bundesmittel anzieht, einschließlich der kürzlich bewilligten. Chip- und Wissenschaftsrecht. Denn wenn das Problem gelöst ist, kann ein Quanteninternet Finanztransaktionen und Gesundheitsdaten schützen, Identitätsdiebstahl verhindern und feindliche staatliche Hacker aufhalten.

Erst letzte Woche drei Physiker Teilnehmer Nobelpreis für Quantenforschung, die dazu beigetragen hat, den Weg für dieses Internet der Zukunft zu ebnen.

Beantwortung von sieben wesentlichen Fragen zur Quantentechnologie

Quantitative Forschung hat noch viele Hürden zu überwinden, bevor sie eine breite Anwendung finden kann. Aber Banken, Gesundheitsunternehmen und andere haben begonnen, mit dem Quanteninternet zu experimentieren. Einige Branchen auch patchen Verwendung von Quantencomputern in ihren frühen Stadien, um zu sehen, ob sie letztendlich Probleme lösen können, die aktuelle Computer nicht können, wie z. B. die Entdeckung neuer Medikamente zur Behandlung unheilbarer Krankheiten.

Es ist noch zu früh, um sich alle potenziellen Anwendungen vorzustellen, sagte Grant Smith, ein Doktorand im Quantenforschungsteam der University of Chicago.

„Als die Menschen zum ersten Mal die ersten Intranets erstellten, die Computer auf Forschungsebene, Universitäten und nationalen Labors miteinander verbanden, konnten sie E-Commerce nicht vorhersehen“, sagte er kürzlich bei einem Rundgang durch Universitätslabors.

Siehe auch  AMD RDNA 3 „Navi 3X“ GPUs verfügen über doppelt so viel Cache pro Recheneinheit und Shader-Matrix

Das Studium der Quantenphysik begann im frühen 20. Jahrhundert, als Wissenschaftler entdeckten, dass sich die kleinsten Objekte des Universums – Atome und subatomare Teilchen – anders verhalten als Materie in der großen Welt, indem sie beispielsweise an mehreren Orten gleichzeitig erscheinen. .

Diese als erste Quantenrevolution bezeichneten Entdeckungen führten zu neuen Technologien wie dem Laser und der Atomuhr. Aber die Forschung bringt Wissenschaftler jetzt näher an die Nutzung der Kräfte der Quantenwelt. David Oshalom, Professor an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und Leiter des Quantenteams, nennt dies eine zweite Quantenrevolution.

Das Feld, sagte er, „versucht, das Verhalten der Natur auf ihren grundlegendsten Ebenen für unsere Welt zu konstruieren und dieses Verhalten in neuen Technologien und Anwendungen zu nutzen.“

Heutige Computer und Kommunikationsnetzwerke speichern, verarbeiten und übertragen Informationen, indem sie sie in lange Bitströme zerlegen, die typischerweise elektrische oder Lichtimpulse sind, die null oder eins darstellen.

Quantenteilchen, auch Quantenbits genannt, bzw Qubit, können sie gleichzeitig als Nullen und Einsen oder irgendwo dazwischen existieren, eine Flexibilität, die als „Überlagerung“ bekannt ist und es ihnen ermöglicht, Informationen auf neue Weise zu verarbeiten. Manche Physiker vergleichen es mit einer sich gleichzeitig drehenden Münze bei Kopf und Schwanz.

Quantenbits können auch anzeigen „Gewirr„wo zwei oder mehr Teilchen eng miteinander verbunden sind und sich vollständig spiegeln, selbst wenn sie durch eine große physische Entfernung getrennt sind. Albert Einstein nannte dies „erschreckende Fernwirkung“.

Die Schrankhardware ist mit einem 124 Meilen langen Glasfasernetz verbunden, das sich vom Southside-Campus der Universität in Chicago bis zu zwei staatlich finanzierten Labors in den westlichen Vororten erstreckt, die in der Forschung zusammenarbeiten – Argonne National Laboratory und Fermi National Accelerator.

Das Team verwendet Photonen – Quantenteilchen aus Licht – um Verschlüsselungsschlüssel über das Netzwerk zu senden, um zu sehen, wie gut sie sich durch Fasern bewegen, die unter Autobahnen, Brücken und Mautstellen verlaufen. Quantenteilchen sind sehr empfindlich und neigen dazu, bei der geringsten Störung wie Vibration oder Temperaturänderung zusammenzubrechen, sodass es schwierig ist, sie über große Entfernungen in der realen Welt zu senden.

In einem Schließfach im Keller einer Universität sendet eine Hardware des japanischen Unternehmens Toshiba verschränkte Photonenpaare aus und sendet eines von jedem Paar über das Netzwerk an das 30 Meilen entfernte Argonne in Lemonte, Illinois. Ein einzelner Verschlüsselungsschlüssel wird auf einer Kette von Photonenpaaren verschlüsselt.

Siehe auch  Logitech kündigt ein neues Mobilgerät für Cloud-Gaming an

Da die Paare miteinander verflochten sind, sind sie vollständig synchron zueinander. „In gewisser Weise kann man es als eine Information betrachten“, sagte Oshalom.

Wenn reisende Photonen Argon erreichen, messen Wissenschaftler sie und extrahieren den Schlüssel.

Jeder Versuch, das Netzwerk zu hacken, um den Schlüssel abzufangen, würde scheitern, sagte Oshalom, weil die Gesetze der Quantenmechanik besagen, dass jeder Versuch, Teilchen in einem Quantenzustand zu beobachten, die Teilchen automatisch verändert und die übertragenen Informationen zerstört. Es warnt auch Sender und Empfänger vor einem Abhörversuch.

Dies ist einer der Gründe, warum Wissenschaftler glauben, dass Technologie solche Hoffnungen bereithält.

Amazon steigt mit neuem Caltech-Hub ins Rennen um Quantencomputer ein

„Es gibt enorme technische Schwierigkeiten zu überwinden, aber man könnte argumentieren, dass dies genauso wichtig werden könnte wie die technologische Revolution im 20. Jahrhundert, die uns den Laser, den Transistor, die Atomuhr und damit das GPS und das Internet bescherte “, sagte Stephen Gervin, Professor für Physik an der Yale University, über die Entdeckungen der modernen Quantentechnologie.

In einem Labor neben dem Schrank versuchen Oshalom und seine Kollegen, neue Geräte zu entwickeln, die Photonen helfen, Informationen über größere Entfernungen zu übertragen. Der Raum ist eine beengte, mehrere Millionen Dollar teure Sammlung von Laborgeräten, Lasern und einem Bild des Motors von Thomas the Tank, weil eines der Instrumente ein konstantes Kreischen macht. „Ich denke, es dient dem komödiantischen Wert“, sagte Doktorand Cyrus Zeledon.

Eines der Probleme, die sie zu lösen versuchen: Während kleine Lichtteilchen durch die Glasfasern des Gitters wandern, führen Defekte im Glas dazu, dass das Licht nach einer gewissen Distanz gedämpft wird. Daher versuchen Forscher, Geräte zu entwickeln, die Informationen von Lichtpartikeln auf ihrem Weg erfassen und speichern und die Informationen dann mithilfe eines neuen Partikels wieder nach vorne senden können – wie zum Beispiel der Photon Pony Express.

Zeledon trug lila Gummihandschuhe, um die Oberfläche nicht zu beschädigen, und griff nach einer kleinen Leiterplatte mit zwei Siliziumkarbid-Chips, die er und seine Kollegen als Gerät zum Speichern und Steuern von Informationen aus Quanten-Qubits testen. Später an diesem Tag plante Zeledon, die Chips auf extrem niedrige Temperaturen abzukühlen und sie unter einem Mikroskop zu untersuchen, um nach den Quantenbits zu suchen, die er in die Chips implantiert hatte, die er dann mit Mikrowellen verarbeiten konnte, um Informationen mit den Photonen auszutauschen.

Siehe auch  Nach der Kritik an Mikrotransaktionen macht es das neueste Gran Turismo 7 schwierig, Autos zu verdienen

Am anderen Ende des Netzes entschuldigte sich eines Morgens der Argonne-Wissenschaftler Joe Hermans, ein ehemaliger Schüler von Oshalom, für das laute Quietschen, das auch in seinem Labor zu hören war. Wo war sein Bild von Thomas the Tank Engine? „Wir versuchen hier, etwas professioneller zu werden“, scherzte er.

Hermanns und seine Kollegen versuchen auch, neue Geräte und Materialien zu entwickeln, die Photonen helfen, Quanteninformationen über größere Entfernungen zu übertragen. Ein vielversprechendes Material sei synthetischer Diamant, sagte er und schüttelte den Kopf in Richtung eines Reaktors, der Diamanten mit einer Gletschergeschwindigkeit von Nanometern pro Stunde gezüchtet hat.

Bundesmittel ab Nationales QuanteninitiativengesetzDas Labor, das vom Kongress verabschiedet und 2018 von Präsident Donald Trump unterzeichnet wurde, half dem Labor kürzlich beim Kauf eines zweiten Reaktors, der Diamanten schneller züchten wird. Das Chip- und Wissenschaftsrechtdas Präsident Biden im August unterzeichnet hat, bietet zusätzliche Forschungs- und Entwicklungsunterstützung, die die quantitativen Bemühungen verstärken wird.

In einer Ecke seines Labors zeigte Hermanns auf eine Maschine von Toshiba, ähnlich der an der University of Chicago. Von dort überträgt ein Satz farbiger Drähte Signale zum und vom Gitter, die nach dem Verlassen des Labors in einer kurzen Schleife unter den nahe gelegenen Ikea und Buffalo Wild Wings verlaufen, bevor sie in jede Richtung zur Universität und zum Fermilab feuern.

Wissenschaftler führen Experimente mit ähnlichen Testbeuten in Boston, New York, Maryland und Arizona durch. Experimentelle Netzwerke bestehen auch in den Niederlanden, Deutschland, der Schweiz und China.

Ziel ist es, eines Tages jede dieser Testbasen über Glasfaser- und Satellitenverbindungen mit dem entstehenden Quanteninternet zu verbinden, das die Vereinigten Staaten und schließlich den Globus abdeckt. Wenn das Netzwerk wächst, könnte es idealerweise nicht nur zum Senden verschlüsselter Informationen verwendet werden, sondern auch zum Verbinden von Quantencomputern, um ihre Rechenleistung zu erhöhen, so wie es die Cloud für bestehende Computer tut.

„Die Idee eines Quanteninternets ist im Entstehen begriffen“, sagte Smith.