Quantenkommunikation in Europa

Inhalte der Webseite: Quantenkommunikation und ihre Aspekte

• Quantenkommunikation bietet im Vergleich zur klassischen Kommunikation Vorteile hinsichtlich der Sicherheit, insbesondere gegen Angriffe von Quantencomputern („store-now, decrypt-later“).
• Photonen dienen als Informationsträger, wobei ihre Eigenschaften, einschließlich der Polarisation, eine wichtige Rolle spielen.
• Die Quantenverschränkung ist ein Schlüsselkonzept für die Kommunikation. Protokolle, wie das BB84-Protokoll, nutzen Verschränkung.
• Quantenkommunikation findet Anwendung in Bereichen wie Banken, Behörden, kritische Infrastruktur und Gesundheitswesen.
• Die Vision umfasst Quantenkommunikationsnetzwerke und ein Quanteninternet der Zukunft, jedoch müssen Herausforderungen wie Reichweite und Infrastruktur bewältigt werden.
• Für Quantenkommunikation sind Photonen als Informationsträger sowie QK-Netzwerke und ein Quanteninternet erforderlich.

Themenseiten: Vertiefung der Quantenkommunikation

• Quantenverschränkung: Beschreibt die Verbindung der Quantenwelt, wobei Informationen schneller als das Licht übertragen werden können.

• Es gibt viele Quellen zum Thema Quantenverschränkung, darunter Wikipedia, Spektrum.de und YouTube Videos.

• Hier gibt es die Quelle von Demtröder, W. (2014). Einführung in die Quantenmechanik. Springer Vieweg.

• Janich, K. (2015). Quantenmechanik. Springer Vieweg.

• Jauch, J. M. (2015). Quantenmechanik: Eine Einführung. Springer Vieweg.

• Grundlagen der Quantenphysik: Konzepte wie Superposition, Verschränkung und Messung sind zentral für das Verständnis der Technologie.

• Horizonte. Quantentechnologien. (2020). acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften.

• Quantencomputing: Die nächste Revolution der Rechenleistung ist in den hier genannten Quellen zu finden

• Infineon.com/cms/de/discoveries/quantum-computing/

• Fraunhofer.de/de/forschung/aktuelles-aus-der-forschung/quantentechnologien/quantencomputing.html

• Fraunhofer.de/artikel/quantencomputing-erst-anwendungen-treiben....

• Horizonte. Quantentechnologien. (2020). acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften.

• Revolutionäre Technologie für sichere und effiziente Datenübertragung: Wird in folgenden Quellen aufgegriffen:

• Fraunhofer.de/forschung/aktuelles-aus-der-forschung/quantentechnologien/quantenkommunikation.html.

• Quantentechnologien.de/qt-in-deutschland/quantenkommunikation.html

• Horizonte. Quantentechnologien. (2020). acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften.

• Quantenoptik: Die faszinierende Welt der Lichtquanten: Grundlagen, Anwendungen und jüngste Fortschritte.

• Straumann, N. (2013). Quantenmechanik. Ein Grundkurs.

• Iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2021/quantum-optics-jena.html

• Horizonte. Quantentechnologien. (2020). acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften.

• Wie Quantenimaging das Unsichtbare enthüllt: Quantenimaging nutzt verschränkte Photonen, um Bilder zu erzeugen, ohne das Objekt direkt zu beleuchten.

• Innovations-report.de/fachgebiete/physik-astronomie/quantenimaging-unsichtbares-sichtbar-machen/

• Quantentechnologien.de/forschung/foerderung/quantum-futur/quantim4life.html

• Pro-physik.de/nachrichten/bildgebung-mit-verschraenkten-photonen

• Horizonte. Quantentechnologien. (2020). acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften.

• Quantenkryptographie: Zukunft der sicheren Kommunikation ist in den folgenden Quellen beschrieben

• Es werden verschränkte Photonen verwendet

• Quantentechnologien.de/forschung/foerderung/quantum-futur/quantim4life.html

• Göbel, H. (2022). Quantenmechanik.

• Fraunhofer IPMS, BSI Broschüre.

• Einführung in Protokolle der Quantenschlüsselverteilung (QKD): QKD ermöglicht sichere Schlüsselverteilung durch Quantenmechanik.

• Bennett, C. H., & Brassard, G. (1984). "Quantum cryptography..."

• Ekert, A. K. (1991). "Quantum cryptography based on Bell's theorem."

• Bennett, C. H., Brassard, G., & Mermin, N. D. (1992). "Quantum cryptography without Bell's theorem".

Quantenverschränkung: Die mysteriöse Verbindung der Quantenwelt

• Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei oder mehr Partikel so verbunden sind, dass der Zustand des einen sofort den Zustand des anderen beeinflusst, unabhängig von der Entfernung. Die Quelle Einstein bezeichnete das als spukhafte Fernwirkung und in der Praxis schien es seiner Relativitätstheorie zu widersprechen.
• Nicht-Lokalität: Eigenschaften verschränkter Teilchen sind voneinander abhängig, was eine sofortige Beeinflussung impliziert.
• Untrennbare Zustände: Verschränkte Teilchen teilen einen gemeinsamen Quantenzustand, der nicht in einzelne Zustände zerlegt werden kann.
• Superposition: Quantenpartikel können sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden.
• Erhaltung von Quanteneigenschaften: Bestimmte physikalische Größen bleiben in verschränkten Systemen erhalten.
• Einheitliche Messungen: Die Messung einer Eigenschaft beeinflusst den Zustand des gesamten verschränkten Systems.
• Dekohärenz: Quantenverschränkte Zustände sind empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
• Anwendungen: Quantenkryptographie, Quantencomputer und Quantenmetrologie.
• Quantenkryptographie: Ermöglicht sichere Kommunikationskanäle durch Quantenschlüsselverteilung (QKD).
• Quantencomputer: Quantenverschränkung ermöglicht parallele Berechnungen durch Qubits.
• Quantenmetrologie: Ermöglicht präzise Messungen, z.B. in hochpräzisen Uhren und medizinischer Bildgebung.
• Quanten-Teleportation: Überträgt Quanteninformation ohne physischen Transport des Trägers.

Quantenmechanische Grundprinzipien

• Die Quantenmechanik beeinflusst Technologien wie Quantenkommunikation und -kryptografie.
• Quantenverschränkung: Verbindung zwischen Quantenobjekten, bei der die Messung eines Teilchens den Zustand des anderen beeinflusst. Dies wird in der Quantenkryptografie im E91-Protokoll genutzt.
• Quantenüberlagerung: Ein Quantenobjekt kann sich in einer Mischung mehrerer Zustände befinden, was in der Quantenkommunikation im BB84-Protokoll zur Verschlüsselung genutzt wird.
• Superposition: Die Fähigkeit eines Quantenobjekts, sich gleichzeitig in mehreren Zuständen zu befinden.
• Quanten-Teleportation: Übertragung des Zustands eines Quantenobjekts von einem Ort zu einem anderen.
• Heisenbergsche Unschärferelation: Es ist unmöglich, bestimmte Paare physikalischer Größen gleichzeitig genau zu messen.
• Quantenmessung: Der Prozess, bei dem der Zustand eines Quantenobjekts erfasst wird und das Quantenobjekt einen Wert annimmt.
• Quanteninterferenz: Überlagerung von Quantenobjekten, die zu Verstärkung oder Auslöschung von Wellen führt.

Grundlagen der Quantenphysik

• Quanten sind kleine Energieeinheiten, wie Photonen, die in festen Mengen (Quantisierung) vorkommen.
• Atome bestehen aus einem Kern und Elektronen auf bestimmten Bahnen, die durch den Energiezustand bestimmt werden.
• Der Welle-Teilchen-Dualismus besagt, dass Quantenobjekte sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten.
• Das Doppelspaltexperiment demonstriert die erstaunlichen Eigenschaften von Quanten, die sowohl Interferenzmuster zeigen als auch als Teilchen durch Spalten fliegen können.
• Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass bestimmte Eigenschaften eines Quantenobjekts nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden können.
• Quantentechnologien nutzen die Eigenschaften der Quantenmechanik für neue Anwendungen in Kommunikation, Berechnung und Messtechnik.

Quantencomputing: Die nächste Revolution der Rechenleistung

• Quantencomputing nutzt Qubits, die Überlagerung und Verschränkung ermöglichen, um Probleme effizienter zu lösen.
• Grundprinzipien: Überlagerung, Verschränkung und Quanten-Gatter.
• Anwendungspotenziale: Materialwissenschaft, Chemie, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen.
• Herausforderungen: Dekohärenz, Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit.
• Trotzdem gibt es die genannten Quellen von Innovationen.

Quantenkommunikation: Revolutionäre Technologie für sichere und effiziente Datenübertragung

• Quantenkommunikation nutzt Quantenzustände zur Datenübertragung und bietet neue Dimensionen in Sicherheit und Effizienz.
• Technologie basiert auf Superposition, Quantenverschränkung und Quanteninterferenz.
• Quantenkryptografie ist ein wichtiger Bestandteil, der vollständig abhörsichere Kommunikation ermöglicht.
• Sicherheit durch Quantenmechanik: Nutzt die Gesetze der Physik, um Daten abhörsicher zu machen.
• Quantenschlüsselverteilung (QKD) verwendet verschränkte Qubits, um kryptografische Schlüssel auszutauschen, wobei jeder Abhörversuch die Quantenverbindung stört.
• Deutschland spielt auf dem globalen Feld der Quantenkommunikation eine wichtige Rolle.
• Anwendungsgebiete: Finanzsektor, Regierungs- und Militärkommunikation, Gesundheitswesen und Unternehmenskommunikation.
• Herausforderungen: Übertragung von Quanteninformationen über große Entfernungen und hohe Kosten.

Quantenoptik: Die faszinierende Welt der Lichtquanten

• Die Quantenoptik verbindet die Prinzipien der Quantenmechanik mit der Optik .
• Sie befasst sich mit dem Verhalten von Licht auf der Ebene von Einzelphotonen.
• Ein zentrales Konzept ist die Dualität des Lichts: Licht kann sowohl als Welle als auch als Teilchen betrachtet werden.
• Anwendungspotenziale: Quantenkommunikation, Quantencomputing.
• Quantenverschränkung spielt eine Rolle für die Lichtverbindung.
• Aktuelle Top-Forschungszentren sind das Max-Planck und Fraunhofer IOF.

Wie Quantenimaging das Unsichtbare enthüllt

• Quantenimaging nutzt Quantenobjekte, um Informationen ohne direkte Beleuchtung des Objekts zu gewinnen.
• Bildgebung mit verschränkten Photonen: Ein Signalphoton wird zum Objekt gesendet, während ein verschränktes Idler-Photon Informationen liefert, ohne das Objekt zu berühren.
• Vorteile: Reduzierte Strahlenbelastung und höhere Präzision.
• Herausforderungen: Komplexität bei der praktischen Umsetzung und Skalierbarkeit.
• Zukunftsperspektiven: Revolutionäre Veränderungen in der medizinischen Diagnostik und Materialforschung.

Quantenkryptographie: Die Zukunft der sicheren Kommunikation

• Quantenkryptographie basiert auf Quantenüberlagerung und Quantenverschränkung.
• Quantenschlüsselverteilung (QKD) tauscht Schlüssel durch Übertragung von Photonen in verschiedenen Zuständen aus.
• Protokolle definieren die sichere und effiziente Schlüsselverteilung.
• Vielversprechend ist Quantenkryptographie durch Kombination mit Li-Fi.
• Hauptanwendungsfelder sind Banken, Finanzinstitutionen, Regierungen und weitere Kommunikationen mit den wichtigsten Anforderungen.
• Noch teuer in der Anschaffung und Implementierung, mit begrenzter Reichweite, erfordert hochspezialisierte Kenntnisse.
• Post-Quanten-Kryptographie (PQC) arbeitet an Algorithmen.

Einführung in Protokolle der Quantenschlüsselverteilung (QKD)

• QKD ermöglicht sichere Schlüsselverteilung durch Quantenmechanik.
• Abhörversuche stören die Quantenmessungen und können erkannt werden.
• Es gibt zur Zeit unterschiedliche QKD-Protokolle BB84, E91 und BBM92 Protokolle.
• BB84-Protokoll: Nutzt Quantenbits in verschiedenen Zuständen zur Schlüsselübertragung. Stärken: Einfachheit und breite Implementierung.
• E91-Protokoll: Verwendet Quantenverschränkung zur Schlüsselerzeugung. Stärken: Zusätzliche Sicherheit und Nachweisbarkeit von Abhörversuchen.
• BBM92-Protokoll: Erweiterung des BB84-Protokolls, die ebenfalls auf Quantenverschränkung basiert. Stärken: Zusätzliche Sicherheitsgarantien und Kombination von BB84 und Quantenverschränkung.

Photonen: Die unsichtbaren Boten des Lichts und ihre Rolle in der Informationsübertragung

• Photonen sind fundamentale Träger elektromagnetischer Strahlung, die in der Optik und Quantenechanik eine wichtige Rolle spielen.
• Sie dienen als essentielle Informationsträger, die in Glasfasernetzen ultraschnelle Kommunikation ermöglichen.
• Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes.
• Es gibt lineare, zirkulare und elliptische Polarisation.
• Manipulation der Polarisation ermöglicht Übertragung.
• Forschungen versuchen, die Natur der Polarisation durch Untersuchung des Spins von Photonen besser zu verstehen.
• In der Kommunikation sind die Photonen die idealen Träger von Informatonen.

Die Quantenkommunikation wird in Europa stark gefördert, insbesondere durch Initiativen des BMBF. Sie bietet Vorteile im Finanz- und Gesundheitswesen durch erhöhte Sicherheit. Die Quantenverschränkung, von Einstein als 'spukhafte Fernwirkung' bezeichnet, spielt eine Schlüsselrolle.