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Information Processing in Future Quantum Networks

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Analyse von Protokollen der Informationsverarbeitung in einem Quantennetzwerk

Quantencomputer können Informationen viel schneller verarbeiten als herkömmliche Maschinen. EU-Forschungsteams bringen diese Technologie näher an den möglichen Einsatz in der alltäglichen Datenverarbeitung heran, indem sie eine Kombination aus klassischen und quantenbasierenden Routinen erforschen.

Sicherheit

Sicherheitsfragen sind für moderne, vernetzte Gesellschaften zweifellos von zentraler Bedeutung. In den letzten Jahren wurden enorme Investitionen in Quantentechnologien getätigt; es ist unbedingt notwendig, ein besseres Verständnis über die Nutzung verfügbarer Quantenressourcen zu gewinnen und die Lücke zwischen theoretischen und experimentellen Ansätzen zu schließen. Das EU-finanzierte Projekt IPQNet zielt darauf ab, die Fortschritte in der Quantentechnologie voll auszuschöpfen, um die Sicherheit der Kommunikation zu erhöhen. „Dies wird uns letztendlich zu einer sichereren Gesellschaft und einem besseren Verständnis des Potenzials von Quantentechnologien in zukünftigen Quantennetzwerken führen“, erklärt Anna Pappa, IPQNet-Projektkoordinatorin.

Routing von Quantenressourcen in Netzwerken

Konkret wurde im Rahmen des Forschungsprojekts untersucht, wie Informationen in einem Quantennetzwerk verarbeitet werden sollten: Herstellung der erforderlichen Quantenzustände zwischen den Knoten, Lenkung der Übertragung von Informationen entlang der zugrunde liegenden Architektur und schließlich Ausführung von mehrteiligen kryptografischen Protokollen. Pappa merkt an: „Diese Fragen sind von grundlegender Bedeutung in der modernen Gesellschaft, da öffentliche und private Einrichtungen große Investitionen in Quantentechnologien tätigen.“ Zu den Zielen von IPQNet gehörten die Bereitstellung von Verifizierungstechniken für Quantenressourcen, die Untersuchung des Routings von Quantenressourcen in Netzwerken, um die erforderlichen Quantenzustände in spezifischen Netztopologien zu erhalten und weiterzuvermitteln, sowie die Analyse der Kombinierbarkeit von quantenbasierten und klassischen Routinen. Laut Pappa konnten einige vorläufige Ergebnisse zur Verifizierung von Quantenressourcen erzielt werden, indem frühere Forschungsarbeiten auf Graphenzustände ausgedehnt wurden, insbesondere auf die so genannten absolut maximal verschränkten (Engl.: absolutely maximally entangled, AME) Zustände, die bestimmte Arten von Symmetrien aufweisen. Das Fehlen von Symmetrien in allgemeinen Graphenzuständen verhinderte eine schlichte Verallgemeinerung der Techniken, die das IPQNet-Team verwenden wollte. Daher konzentrierten sie sich auf Zustände, die eine andere Art von Symmetrie aufweisen und die bisher noch nicht unter solch diskrepanten Bedingungen beim Nachweisverfahren untersucht worden waren.

Sichere Online-Wahlsysteme

Während des Projekts beteiligte sich Pappa auch an einer umfangreichen Begutachtung eines quantenelektronischen Wahlsystems (Engl.: Quantum Electronic Voting), das die ersten formalen Definitionen zur Sicherheit für solche Systeme beinhaltet. Diese Abhandlung entstand in Zusammenarbeit mit der Universität Edinburgh und Paris 6. Der Bericht weist darauf hin, dass Quantencomputer zur Verbesserung der Sicherheit von Online-Wahlsystemen eingesetzt werden könnten. Obwohl die Forschungsgruppen mehrere Verfahren vorgeschlagen haben, erweisen sich diese in der veröffentlichten Gesamtschau jedoch als unzureichend sicher. Diese Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Association for Computing Machinery (ACM) Transactions on Quantum Computing veröffentlicht. Schließlich untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie Quanteninformationen über ein Netzwerk geleitet werden können, und veröffentlichten einen Artikel mit dem Titel Quantum network routing and local complementation, in dem Methoden vorgeschlagen werden, die graphentheoretische Ergebnisse und lokale Quantenoperationen verwenden. Einige der in dem Bericht vorgeschlagenen Methoden werden derzeit mit Hilfe von entfernten Quantenservern umgesetzt. „Dies war ein sehr interessantes Projekt, das zeigte, wie Quantenressourcen zur Umgehung von Engpässen in Netzwerken eingesetzt werden können. Es führte auch zu neuen Kooperationen mit Gruppen aus der experimentellen Optik, die das Potenzial vernetzter Quantentechnologien unter realistischen Bedingungen demonstrieren sollen“, schließt Pappa.

Schlüsselbegriffe

IPQNet, Quanten, Quantentechnologien, Netzwerk, Sicherheit

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