Die Rolle und der Bedarf an volloptischen Switches im Bereich der neu entstehenden Quantennetze wächst, und zwar schnell. Der Bereich der Quantenvernetzung und insbesondere der Quantenkommunikation birgt das Versprechen und das Potenzial, bisher unmögliche Kommunikationswege zu ermöglichen.
Die jüngste Prognose von Fortune Business Insights zeigt ein Marktwachstum mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 30,8 % zwischen 2021 und 2028 und einen Anstieg des Marktwertes auf 3,1 Mrd. $ im Jahre 2028. Zur Nutzung dieses Vorteils sollte die Kommunikationsbranche über die richtigen Tools verfügen, um eine Anpassung zu beginnen und durchzuführen.
Vorteile der Quanteninformatik
Die Quanteninformatik nutzt die Grundprinzipien der Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Dies kann eine Reihe von Problemen lösen, die bei der klassischen Kommunikation aufgrund von Herausforderungen mit der Rechenleistung und dem Speicherplatz auftreten. Dazu gehören die folgenden Punkte:
- Verbesserung der Sicherheit durch Erstellung privater Schlüssel für eine sichere Datenübertragung mithilfe von QKD (Quantum Key Distribution)
- Verbesserung des Gesundheitswesens - beim Entwurf und der Analyse von Molekülen für die Arzneimittelentwicklung können die Eigenschaften der Moleküle mithilfe von Quantencomputern im Gegensatz zu klassischen Rechnern simuliert werden.
- Teleportation von Informationen ohne physische Übertragung der Informationen von einem Ort zum anderen mit einem neuen Quanteninternet
- Modellierung und Simulation komplexer natürlicher Vorgänge wie Wetter und Klimaerwärmung
- Beschleunigung des maschinellen Lernens
Schaffung eines Quantennetzes
Im Gegensatz zu klassischen Computern werden im Bereich der Quanteninformatik Quanteneigenschaften wie Überlagerung, Verschränkung, Interferenz und Unsicherheit genutzt, um zu einem deterministischen Ergebnis zu gelangen. Qubits als Grundeinheit der Quanteninformation befinden sich in einem physikalischen Gerät wie einem Chip oder einem Prozessor und können als Bausteine eines Quantencomputers definiert werden. Das Berechnungspotenzial kann erhöht werden, indem auch die Anzahl der Qubits erhöht wird, die anschliessend in kontrollierbare Quantenzustände verarbeitet werden können. Ein Hinzufügen von weiteren Qubits ist schwierig, da sie aufgrund ihrer geringen Fehlertoleranz sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse wie Rauschen reagieren. Wenn Qubits hinzugefügt werden, vervielfacht sich auch das Rauschen.
Für die Skalierung und Kommerzialisierung der Quanteninformatik ist eine Quantenvernetzung erforderlich. Quantennetze werden leistungsstarke und sichere Cloud-Quantenserver bereitstellen, indem sie die Fähigkeiten einzelner Quantenprozessoren miteinander verbinden und verstärken. Aber wie können wir dies umsetzen?
Eine wichtige Voraussetzung für die meisten quantenbasierten Kommunikationsprotokolle ist die erfolgreiche Verteilung. Um eine umfassende vernetzte Quantenkommunikation zu ermöglichen, wird ein neuartiger Switch benötigt, der verschränkte Einzelphotonen weiterleiten kann.
Die Rolle der volloptischen Switches
Bis zum Bau eines Quanteninternets besteht eine der vielen Möglichkeiten zur Realisierung von Qubits für grössere, stabile Systeme und zur Übertragung über grössere Entfernungen (möglicherweise durch Quantenmultiplexing mit Quantenfehlerkorrektur) darin, photonenbasierte Qubits über herkömmliche DWDM-Kommunikationsnetze zu senden, um die Verschränkung zu verteilen und Quanteninformationen an mehrere Knoten weiterzuleiten.
Es gibt jedoch einige Herausforderungen. Mit zunehmender zurückgelegter Entfernung steigt der Photonenverlust exponentiell an und ist damit eines der grössten Hindernisse für die Quantenübertragung. Wir sehen auch, dass die Verschränkung mit der Phasendekohärenz abnimmt oder zerstört wird, was die Quantenkommunikation erschwert, und wenn man über die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation hinausgeht, ist auch die verteilte Synchronisation ein Problem.
Volloptische Switches (OOO) können selektiv das gesamte optische Signal einer Fiberoptikfaser auf eine andere Fiberoptik umschalten. Herkömmliche OEO-Switches (optisch-elektrisch-optisch) haben Schwierigkeiten bei der Erhaltung der Quantenkohärenz, und optische Verstärker verstärken nicht nur das Signal, sondern auch das Rauschen, was sie für die Quantenübertragung nicht gerade ideal macht. Bei volloptischen Switches, die das Signal nicht wie OEO-Switches regenerieren müssen, ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass sie längere Strecken zurücklegen und die Quantenkohärenz erhalten können. Daher haben volloptische Switches einen einzigartigen Vorteil gegenüber herkömmlichen OEO-Switches, da sie den ursprünglichen Lichtimpuls durch einen transparenten und volloptischen Switchkern übertragen, ohne den Impuls in ein elektrisches Format umzuwandeln. Die Transparenz der volloptischen Switches macht sie unabhängig von Protokoll, Format und Datenrate.
Einige der weltweit führenden Quantenforschungsgruppen betreiben Spitzenforschung im Bereich der Quantenvernetzung mit volloptischen POLATIS-Switches.
