Da die Quantentechnologie schnell in die reale Welt Einzug hält – in Fabrikhallen, Rechenzentren und andere kritische Infrastrukturen –, verändert sie die Erwartungen an den Aufbau von Netzwerken, den Datenfluss und die Problemlösung.——’
Da Quantencomputer viele mögliche Lösungen parallel auswerten können, sind sie in der Lage, langjährige Herausforderungen zu bewältigen, mit denen klassische Systeme bisher Schwierigkeiten hatten, wie beispielsweise komplexe Routenplanung, Terminplanung und Bestandsoptimierung.
Die Fortschritte auf der Seite der Quantenhardware beschleunigen sich weiter, wobei eine IBM Quantennetzwerklösung in den nächsten Jahren in Sicht ist und Fujitsu das Jahr 2030 für sein eigenes System anvisiert.
Doch mit diesem Fortschritt gehen auch Risiken einher: Die gleichen Fortschritte, die Quantencomputer zu leistungsstarken Optimierern machen, bedrohen die aktuellen Verschlüsselungsmethoden. Tatsächlich prognostizieren Experten, dass Quantenmaschinen bis 2029 wahrscheinlich in der Lage sein werden, weit verbreitete Public-Key-Verschlüsselungsverfahren innerhalb von Minuten zu knacken. (Dieser Meilenstein wird als Q-Day bezeichnet und markiert den Tag, an dem die heutige Kryptographie nicht mehr als sicher gelten wird.) ’
Da böswillige Akteure in naher Zukunft Zugang zu Quantencomputern haben werden, müssen Netzwerke in der Lage sein, sowohl klassischen als auch Quantenangriffen standzuhalten.
Um eine quantenfähige Infrastruktur aufzubauen, die neue Fähigkeiten unterstützt, ohne Systeme und Daten zu gefährden, ist es unerlässlich zu verstehen, was Quantentechnologie leisten kann und wie sie Netzwerktechnik und Sicherheit verändert.
Klassische vs. Quantennetzwerke: Worin unterscheiden sie sich?
Um die Quantenphysik und ihr Potenzial für neue Möglichkeiten zu verstehen, ist es hilfreich, sie mit den heute gebräuchlichen klassischen Netzwerken zu vergleichen.
Klassische Netzwerktechnik
Klassische Netzwerke sind die Welt, die Sie bereits kennen und mit der Sie täglich interagieren: Sie umfassen Switches und Router, die Daten über Kupfer und Glasfaser übertragen, mit Protokollen, die dafür sorgen, dass der Datenverkehr auch dann weiterläuft, wenn das Signal nicht’perfekt ist (“gut genug” ist in vielen Fällen ausreichend). Solange die Anwendungen die benötigten Informationen in einer akzeptablen Zeit erhalten, funktioniert das Netzwerk. Es besteht keine Notwendigkeit, den genauen Zustand jedes Signals zu erhalten.’
In diesen Umgebungen werden Daten als Bits dargestellt. Wenn diese Bits aufgrund von Rauschen oder Signalverlust verzerrt werden oder verloren gehen, wird das Problem meist durch Fehlerkorrektur und/oder erneute Übertragung behoben.
Quantennetzwerke
Quantensysteme speichern und verarbeiten Daten in Qubits, die in äußerst empfindlichen Zuständen kodiert sind. Kleine Störungen können ein Quantennetzwerk beeinträchtigen, weshalb seine Verbindungen auf maximale Genauigkeit (sehr hohe Qualität) ausgelegt sein müssen.
Diese Qualitätsanforderung ermöglicht es Quantencomputern, Herausforderungen zu bewältigen, die klassische Maschinen nicht bewältigen können. Sie nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik, um komplexe Probleme mit einer Vielzahl von Variablen und widersprüchlichen Einschränkungen anzugehen.’ Betrachten wir die Maschinenwartung: Angesichts möglicher Reparaturzeiten, der Verfügbarkeit von Reparaturtechnikern und des Ressourcenbedarfs kann die Planung der Wartung von auch nur 80 Maschinen zu viele Möglichkeiten schaffen, als dass herkömmliche Computer sie innerhalb eines angemessenen Zeitraums bewerten könnten.
Gestaltungsrealitäten der Quantennetzwerke
Der Bedarf an hochwertigen Qubits und sauberen Übertragungswegen führt schnell dazu, dass Gespräche über Quantennetzwerke in Diskussionen darüber münden, was erforderlich ist, um Quanteninformationen von einem Punkt im Netzwerk zum anderen intakt zu halten. ’
Hier sind einige Beispiele dafür, was Quantennetzwerke benötigen werden.
Entwurf verlustarmer Verbindungen
Die Schaffung eines physikalischen Netzwerks zur Unterstützung von Quanteninteraktionen zwischen Computern erfordert Verbindungen mit unglaublich geringen Verlusten und extrem hochwertigen optischen Eigenschaften.
Die Erfüllung dieser Anforderungen erfordert oft fortschrittlichere Faserdesigns als die, die in typischen Produktionsnetzen verwendet werden. Dies kann neue oder spezielle Glaszusammensetzungen oder Strukturen wie Hohlkernfasern umfassen, die sowohl die Verluste reduzieren als auch die Quanteninformation über große Entfernungen besser erhalten können.
Dem Quantenverkehr eine eigene Spur geben
Um die Leistung vorhersehbar zu halten, benötigt der Quantennetzwerkverkehr einen eigenen Pfad. Um dies zu erreichen, besteht eine Möglichkeit darin, Es muss ein separates physisches Netzwerk für den Quantenverkehr geschaffen werden., ähnlich wie man ein physisches Netzwerk für Backup- oder Speicherdatenverkehr einrichtet.
In diesem Modell hätte ein Server oder ein System zwei Netzwerkanschlüsse:
- Eines, das mit dem Quantennetzwerksegment verbunden ist
- Eines, das mit dem Produktionsnetzwerk verbunden ist, das den täglichen Betrieb unterstützt.
Mit diesem Ansatz können Sie ein Netzwerk speziell für Quantendatenverkehr optimieren, ohne jeden Teil des bestehenden Produktionsnetzwerks neu gestalten zu müssen.
Erweiterung des Quantenpfades
Quantennetzwerke entstehen zwischen Gebäuden oder über eine ganze Stadt hinweg, aber sie entstehen auch innerhalb von Quantensystemen selbst. Zwischen der Außenwelt und der Quantenverarbeitungseinheit (QPU) befindet sich ein Kontrollstapel, der klassischen Datenverkehr empfängt, Quantenoperationen verwaltet und über HF-Kabel mit der QPU verbunden ist.
Im Inneren des Quantencomputers gelangen diese HF-Verbindungen in einen Kühlstapel (einen Kryostaten), wo der Druck auf ein nahezu Vakuumniveau sinkt und die Temperaturen unter die im Weltraum herrschenden Werte fallen.
Von dort aus gelangt das Signal aus dem Kryostaten, durch den Steuerstapel und zu den Glasfaserverbindungen, die die Quantensysteme miteinander verbinden. Auf diesem Weg muss alles so konstruiert sein, dass Quanteninformationen zuverlässig übertragen werden können. Dies erfordert Verkabelung, die sich ändern kann von Standard-HF-Designs für Raumtemperatur bis hin zu hochspezialisierten Designs, die bei extrem niedrigen Temperaturen und Drücken arbeiten.
Aufbau eines quantensicheren Netzwerks
Die gleichen Fortschritte, die es Quantencomputern ermöglichen, Optimierungsprobleme anzugehen, gefährden auch herkömmliche Verschlüsselungsmethoden. Das bedeutet, dass Sie müssen Überdenken Sie die Art und Weise, wie Netzwerke verbunden sind und wie der Datenverkehr geschützt wird, lange bevor der Q-Day anbricht. Die
In vielen Betriebsumgebungen bleiben Netzwerk- und Steuerungstechnik ein Jahrzehnt oder länger im Einsatz. Die Geräte, die Sie’ Eine Neuinstallation zum jetzigen Zeitpunkt wird wahrscheinlich dazu führen, dass Ihr System noch in Betrieb ist, wenn Quantenangriffe stattfinden. Das bedeutet, dass die Entscheidungen, die Sie heute treffen, Einfluss darauf haben könnten, wie stark Sie in Zukunft Sicherheitsrisiken ausgesetzt sind.
Um Organisationen bei der Einführung quantensicherer Netzwerke zu unterstützen, hat das Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) seine erste Reihe von Richtlinien finalisiert. Post-Quanten-Kryptographiestandards Die Standards sollen bis 2024 eingeführt und bis 2030 breitflächig eingeführt werden. Sie sollen Ihnen einen Weg aufzeigen, wie Sie Daten und Verbindungen schützen können, wenn Angreifer Zugriff auf leistungsstarke Quantencomputer haben.
Post-Quanten-Kryptographie (PQC) ist die nächste Generation der Verschlüsselung für eine Quantenwelt. Es bezieht sich auf neue Familien von Public-Key-Algorithmen, die so konzipiert sind, dass ein leistungsstarker Quantencomputer sie ausführen kann.’ Sie brechen sie deutlich schneller als eine klassische Maschine. Dies macht die Algorithmen resistent gegen die Arten von Angriffen, die heutzutage irgendwann zum Zusammenbruch führen werden.’ s Chiffren.
Der Übergang zu quantensicheren Netzwerken bedeutet, die bestehenden Public-Key-Verschlüsselungsverfahren durch quantensichere Verfahren zu ersetzen, damit Ihr Netzwerk vor klassischen und Quantenangriffen geschützt ist. Im Laufe der Zeit müssen Sie verstehen, wo nicht‐quantensichere‐Verschlüsselungsverfahren eingesetzt werden (z. B. in VPNs, TLS-Sitzungen, Gerätezertifikaten und Managementkanälen) und einen Plan entwickeln, um diese Anwendungen im Einklang mit den aufkommenden Standards und Richtlinien auf PQC umzustellen.’
Auf diese Weise können die heute erfassten und gespeicherten Daten nicht von den Quantenmaschinen von morgen entschlüsselt werden.’’ Ihr Netzwerk kann Systeme und Informationen auch weiterhin schützen, während Quantencomputer ausgereifter werden.
Netzwerke für eine Zukunft mit Quanten
Quantennetzwerke eröffnen neue Wege, Informationen zu bewegen, zu sichern und zu nutzen, damit Organisationen sich mit dem verbinden können, was möglich ist.’ Die Teams, die jetzt mit der Erforschung von Quantennetzwerken und Quantensicherheit beginnen, werden auf einem guten Weg sein, in den kommenden Jahrzehnten zukünftige Quantensysteme zu verbinden und langlebige Daten zu schützen.
Belden evaluiert aktiv die neu entstehenden Quantentechnologien und deren Auswirkungen auf die bereits im Einsatz befindlichen Netzwerke und Systeme.’ Wir arbeiten mit Quantenbörsen auf der ganzen Welt zusammen und kooperieren mit anderen sachkundigen Organisationen. Gleichzeitig treiben wir interne Initiativen voran, um unsere Teams und unsere Kunden darüber aufzuklären, was es bedeutet, eine quantenfähige und quantensichere Infrastruktur aufzubauen.’
Durch die Kombination dieser Arbeit mit unseren Komplettlösungen für die Konnektivität sind wir’bereit, Kunden beim Aufbau von Netzwerken zu unterstützen, die sich weiterentwickeln können, wenn Quantentechnologien in den Alltag Einzug halten.
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