Ein neu vorgeschlagenes Protokoll zur Verbesserung der Privatsphäre in Quantensensor-Netzwerken

15. Februar 2025

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Geräte, die Quantenmechanik-Effekte nutzen, die im Allgemeinen als Quantentechnologien bezeichnet werden, könnten dazu beitragen, einige realen Probleme schneller und effizienter zu lösen. In den letzten Jahren haben Physiker und Ingenieure verschiedene vielversprechende Quantentechnologien eingeführt, darunter sogenannte Quantensensoren.

Netzwerke von Quantensensoren könnten theoretisch verwendet werden, um bestimmte Parameter mit bemerkenswerter Präzision zu messen. Diese Netzwerke nutzen ein Quantenphänomen namens Verschränkung, das eine fortwährende Verbindung zwischen Partikeln beinhaltet, die es ihnen ermöglicht, Informationen sofort miteinander zu teilen, selbst über Entfernungen hinweg.

Während Quantensensornetzwerke (QSNs) verschiedene vorteilhafte Anwendungen im echten Leben haben könnten, hängt ihre effektive Bereitstellung auch davon ab, sicherzustellen, dass die zwischen den Sensoren ausgetauschten Informationen privat bleiben und nicht für böswillige Dritte zugänglich sind.

In einem in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel stellen Forscher der Sorbonne-Universität ein neues Protokoll vor, das dazu beitragen könnte, die Privatsphäre der zwischen vernetzten Quantensensoren ausgetauschten Informationen zu verbessern.

"Vernetztes Sensing stellt einen vielversprechenden Forschungszweig im breiteren Bereich des Quantensensings dar", sagte Majid Hasani, Erstautor des Artikels Phys.org. "Angesichts der unvermeidlichen Präsenz böswilliger Gegner, die Quantenkanäle abfangen, um Informationen zu erhalten, haben wir uns daran gemacht, ein privates Protokoll zu entwickeln, mit dem man unbekannte Parameter schätzen kann, ohne dass Informationen durchsickern."

Das von Hasani und seinen Kollegen vorgeschlagene neue Protokoll basiert auf einem etablierten mathematischen Werkzeug, das als die Quanten-Fischer-Informationsmatrix (QFIM) bekannt ist. Diese Matrix quantifiziert im Wesentlichen die Genauigkeit von Parameterschätzungen, die mit Quantenmessgeräten oder -prozessen verbunden sind.

"Die QFIM ist eine wohlbekannte Größe im Bereich der Quantenmetrologie und des Sensings, die die maximale Menge an extrahierbaren Informationen über bekannte Parameter über alle möglichen Messungen quantifiziert und eine untere Grenze für die Präzision der Schätzung setzt", erklärte Hasani.

"Die mathematischen Eigenschaften dieser Matrix, wie die Kontinuitätsrelation zwischen ihren Einträgen, ermöglichten es uns, ein privates Protokoll zu konstruieren."

Im Wesentlichen umfasst das von Hasani und seinen Kollegen vorgeschlagene Protokoll die Manipulation der QFIM, um den Quantenzustand in einem Quantensensornetzwerk zu identifizieren, der die Privatsphäre maximiert. Ihr Artikel führte auch die Idee der Quasiprivatsphäre (𝜀-Privatsphäre) ein, die misst, wie nahe ein Quantenzustand daran ist, "perfekte Privatsphäre" zu gewährleisten.

Um das Potenzial ihres Protokolls zu veranschaulichen, stellten die Forscher ein Beispiel vor, wie es auf ein Netzwerk von Quantensensoren angewendet werden könnte. In dem von ihnen skizzierten Beispiel schätzte das Quantensensornetzwerk speziell den Durchschnitt unbekannter Parameter, und das Team zeigte, wie ihr Protokoll die Privatsphäre steigern könnte.

"Die vorgestellte Methode bietet eine systematische Möglichkeit, ein Protokoll mit einstellbaren extrahierbaren Informationen aus dem Netzwerk zu konstruieren", sagte Hasani. "Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es uns, den Informationsverlust zu kontrollieren und somit unsere Informationen vor böswilligen Gegnern zu schützen."

Bisher wurde das neu vorgeschlagene Datenschutzprotokoll nur theoretisch demonstriert, aber Hasani und seine Kollegen hoffen bald, es zu implementieren und in einem experimentalen Umfeld zu testen. In Zukunft könnten ihre Bemühungen zur Verwirklichung von sicheren Quantensensoren und -kommunikationen beitragen.

"Unser nächster Schritt wird sein, das Protokoll experimentell zu implementieren", fügte Hasani hinzu. "Dieses laufende Projekt mit unseren Mitarbeitern wird entscheidend für die Entwicklung von echten Quantensensoren sein."

Weitere Informationen: Majid Hassani et al, Privacy in Networks of Quantum Sensors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.030802. Bei arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.01711

Journalinformation: Physical Review Letters, arXiv

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