de.wedoany.com-Bericht: Die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) hat kürzlich die neuesten Fortschritte im Bereich der Quanten-Netzwerkinfrastruktur bekannt gegeben. Zu den Schwerpunkten gehören regionale Quanten-Netzwerk-Testbetten, Quanten-Repeater, Quantenspeicher, fortschrittliche Photonendetektoren, Satellitenverbindungen sowie offene Infrastrukturen für Forschungseinrichtungen und Start-ups. Dieser Bereich ist ein wichtiger Bestandteil der nächsten Generation von Informations- und Kommunikationssystemen. Ziel ist es, Quantencomputer, Quantensensoren und Quantenkommunikationsknoten zu verbinden und eine neue Netzwerkbasis für hochpräzise Messungen, sichere Kommunikation und komplexe Berechnungen zu schaffen.
Der Unterschied zwischen Quantennetzen und dem herkömmlichen Internet besteht darin, dass herkömmliche Netze klassische Bits aus Nullen und Einsen übertragen, während Quantennetze Quantenbits (Qubits) verarbeiten. Qubits können sich in einem Überlagerungszustand befinden oder durch Verschränkung mit entfernten Knoten in Verbindung treten. Dies verleiht Quantennetzen das Potenzial, verteilte Quantensensoren und Quantencomputerressourcen zu verbinden. Die NSF geht davon aus, dass Quantennetze in Zukunft für Erdbebenvorhersage, landwirtschaftliche Überwachung, Gravitationswellendetektion, Materialwissenschaften und Arzneimittelforschung eingesetzt werden können. Sie könnten auch in Umgebungen mit eingeschränktem Satellitensignal, wie Tunneln, unter Wasser oder unterirdischen Räumen, eine GPS-freie Ortung ermöglichen. Für die Kommunikationsbranche bedeuten solche Netze nicht nur eine höhere Bandbreite oder geringere Latenz, sondern eine grundlegende Veränderung der zugrunde liegenden Informationsform. Sie könnten Kommunikationsnetze von einem „Datenübertragungskanal“ zu einer „Kooperationsplattform für Sensorik, Berechnung und Sicherheitsfähigkeiten“ erweitern.
Die technische Umsetzung von Quantennetzen steht derzeit noch vor erheblichen Herausforderungen. Quantenzustände sind äußerst anfällig für Temperatur-, Umgebungsstörungen und Übertragungsverluste. Quantensignale haben eine begrenzte Reichweite in Glasfasern oder der Atmosphäre, und Quanteninformationen können nicht wie herkömmliche Signale direkt kopiert oder verstärkt werden.
Dies ist auch der Grund, warum die NSF Quanten-Repeater, langlebige Quantenspeicher und fortschrittliche Photonendetektoren zu ihren Schwerpunkten zählt. Quanten-Repeater müssen in der Lage sein, Quantenzustände zu speichern, weiterzuleiten und die Reichweite zu verlängern, ohne sie zu zerstören. Sie sind eine Schlüsselkomponente, um Quantennetze aus dem Labor in die städtische Infrastruktur, Energiesysteme und die regionenübergreifende Kommunikation zu überführen. Zu den entsprechenden Investitionen gehört auch das regionale Testbett QuantumGrid in Chattanooga, Tennessee. Dieses Projekt nutzt vorhandene unterirdische Glasfaserkabel, um Quantensignale zu testen und im Hinblick auf Stromnetzanwendungen einen Bauplan für kommerziell nutzbare Quantennetzwerke und Rechenzentren zu entwickeln. Das von der NSF unterstützte Center for Quantum Networks treibt zudem umfassende Tests von Glasfaser- bis hin zu Satellitenkommunikationsplattformen voran, um einen vollständigen Technologie-Stack zu schaffen, der Quantenprozessoren verbinden und Quantendaten übertragen kann.
Der weitere Fortschritt in Richtung Kommerzialisierung wird von der Zuverlässigkeit der Quanten-Repeater, der Lebensdauer der Quantenspeicher, der Effizienz der Photonendetektion, der Koordination der Satellitenverbindungen, der Anpassung an städtische unterirdische Glasfasernetze und der Verfügbarkeit von Quantenfachkräften abhängen. Mit der gleichzeitigen Förderung des National Quantum Virtual Laboratory, des 100-Millionen-Dollar-Quanten- und Nanotechnologie-Infrastrukturnetzwerks und des 1,5-Milliarden-Dollar-NSF-X-Labs-Programms durch die NSF befinden sich Quantennetze schrittweise auf dem Weg von einem hochaktuellen Forschungsthema hin zur Phase des Infrastrukturaufbaus. Für die Informations- und Kommunikationsbranche wird diese Entwicklung kurzfristig nicht das bestehende Internet und die Mobilfunknetze ersetzen, aber sie wird in Szenarien wie der Stromnetzsicherheit, der Navigation in besonderen Umgebungen, der wissenschaftlichen Forschung, der Verteidigungskommunikation und der hochwertigen Sensorik erste Anwendungseinstiege schaffen.
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