Entwicklung eines cloudbasierten semi-quantum Geldsystems

In den 1970er Jahren wurde die Idee des Quantenmoney zum ersten Mal vorgestellt. Diese Art von Geld nutzt spezielle Quanten-Zustände als Währung, die über Quantenkanäle oder persönlich zwischen Nutzern ausgetauscht werden können. Quantenmechanik macht es echt schwer, dieses Geld zu fälschen, aber es gibt auch Schwierigkeiten bei der Erstellung, Speicherung und Nutzung. Momentan haben wir nicht die fortschrittlichen Quantencomputer, die nötig wären, um Quantenmoney effektiv zu erzeugen und zu verwalten, und die bestehenden Methoden, diese Quanten-Zustände zu übermitteln, sind nicht zuverlässig genug für den regelmässigen Einsatz.

Um diese Probleme anzugehen, wurde eine Art namens semi-quantum money entwickelt. Das ermöglicht Transaktionen, die nicht komplett auf quantenressourcen angewiesen sind, wodurch es einfacher wird. Eine neue Idee ist, ein cloud-basiertes semi-quantum money System zu schaffen. Dabei würden semi-ehrliche Drittanbieter-Quanten-Cloud-Services genutzt, während Nutzer, Banken und die meisten Teile des Systems voll klassisch bleiben.

Mit diesem neuen cloud-basierten semi-quantum money System konzentrieren wir uns darauf, zu schätzen, wie viel Rechenleistung die Quanten-Cloud benötigen würde und sicherzustellen, dass sie vor bösen Akteuren geschützt ist.

#Hintergrund zum Quantenmoney

In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Quanteninformatik und -technologie wieder Interesse an Quantenmoney geweckt. Es wurden neue Modelle entwickelt, wie z.B. öffentliches Quantenmoney, das die Komplexität von Quantenproblemen nutzt, um Sicherheit zu bieten. Entwicklungen in der Technologie, wie gefangene Ionen und supraleitende Schaltungen, zeigen, dass wir Quanten-Zustände mit guter Genauigkeit erzeugen und steuern können.

Trotzdem gibt es noch Probleme zu lösen, damit Quantenmoney praktisch wird. Quanten-Zustände sind sehr empfindlich und können leicht Informationen verlieren. Ausserdem ist das Wachstum dieser Systeme ein Problem, da die aktuellen Quanten-Setups klein und fehleranfällig sind.

Semi-quantum money hat sich als Lösung herausgestellt. Es behält die Fähigkeit zur Verifizierung mit klassischen Methoden, ändert aber, wie das Geld erstellt wird. Anstatt dass eine Bank nur Quanten-Techniken nutzt, um Geld zu prägen, gibt die Bank den Nutzern Anweisungen, wie sie den Quanten-Geld-Zustand selbst erstellen können. Das stellt sicher, dass die Nutzer kein zusätzliches Geld erzeugen können und erlaubt die Verifizierung durch klassische Methoden, ohne Quanten-Technologie zu benötigen.

#Vergleich verschiedener Quantenmoney-Protokolle

Viele Forscher haben im Laufe der Jahre verschiedene Modelle für Quantenmoney untersucht. Das Konzept des öffentlichen Quantenmoney entstand in den 1960er Jahren, bei dem Banken spezielle Quanten-Zustände schaffen, die die Authentizität des Geldes leicht überprüfen lassen. Ein Schlüsselfeature ist, dass dieses Geld ohne bestimmte geheime Zahlen nicht dupliziert werden kann. Allerdings müssen die Nutzer über Quantencomputer und -kanäle verfügen, um Transaktionen zu validieren.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, Quantenmoney-Systeme zu verbessern, um die Verifizierung und Benutzerfreundlichkeit zu erleichtern. Leider hatten einige vorgeschlagene Methoden ernsthafte Mängel. Es wurden Lösungen vorgeschlagen, um sicherere Systeme zu schaffen, einschliesslich lokaler Quantenberechnungen und klassischer Kommunikation, die die Notwendigkeit für Quantenkanäle eliminieren.

Der Ansatz, den wir gewählt haben, ist anders als nur Quantenmoney zu schaffen. Es nutzt klassische Ressourcen sowohl für die Prägung als auch für die Verifizierung, während es dennoch ein ähnliches Sicherheitsniveau wie Quanten-Systeme beibehält.

#Der Aufstieg des Cloud-Quantencomputings

Aktuell ist der Bau und Betrieb von Quantencomputern sehr teuer, was es unwahrscheinlich macht, dass die meisten Leute sie direkt nutzen können. In Zukunft, wenn Quantencomputer zugänglicher werden, wird erwartet, dass cloud-basierte Quantencomputing-Dienste der Standard werden. Das spiegelt wider, wie klassische Computer sich von grossen zentralisierten Maschinen zu Personal Computern für den Alltag entwickelt haben. Die Nutzung von Cloud-Quanten-Services könnte es viel einfacher machen, semi-quantum money zu übernehmen.

Allerdings gibt es Sicherheitsprobleme, die mit der Abhängigkeit von cloud-basierten Systemen verbunden sind. Traditionelle Sicherheitsmassnahmen halten möglicherweise nicht gegen Bedrohungen durch Quantencomputing stand. Daher müssen wir herausfinden, wie wir Drittanbieter-Quanten-Cloud-Services sicher nutzen können, während wir klassische Nutzer und Banken einbeziehen.

#Gestaltung eines cloud-basierten semi-quantum money Systems

Dieses Papier hat das Ziel, ein funktionales cloud-basiertes semi-quantum money System zu schaffen. Wir werden die Schritte besprechen, die erforderlich sind, um Token auszugeben, sie einzulösen und sie in Umlauf zu bringen. Der Herausgeber der Token wird durch eine traditionelle Bank vertreten.

Sowohl die Bank als auch die Nutzer arbeiten mit klassischen Methoden, was bedeutet, dass sie keine Quantenberechnungen selbst durchführen können. Sie sind auf einen untrustworthy Quanten-Cloud-Server angewiesen, um Quantenaufgaben zu erledigen. Der Cloud-Anbieter wird Zugang zu einem universellen Quantencomputer haben, aber es wird angenommen, dass er sich an die Regeln hält, während er versucht, Informationen zu gewinnen. Die Verwendung von Quanten-homomorpher Verschlüsselung hilft, die Privatsphäre gegenüber der Cloud zu wahren.

#Der Quanten-Token-Prozess

Wir skizzieren eine Methode für Banken, um einen Quanten-Token zu erstellen, bei der Interaktionen zwischen einer klassischen Bank, einem klassischen Empfänger und einem Quanten-Cloud-Server stattfinden. Die Bank wird einen öffentlichen Schlüssel generieren, während der Empfänger einen geheimen Schlüssel erstellt. Die Cloud wird den Quanten-Zustand erzeugen, der den Token repräsentiert.

Sicherheit ist in diesem System entscheidend. Der Quanten-Zustand muss sicherstellen, dass die Cloud keinen Zugang zu Token-Informationen hat oder die Tokens ohne Erlaubnis manipulieren kann. Ein zweiphasiger Quanten-homomorpher Verschlüsselungsprozess ermöglicht es der Cloud, Quantenoperationen durchzuführen, während die Daten privat bleiben. Das Reproduzieren des gleichen Tokens soll innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens aufgrund von zufälligen Elementen im Erzeugungsprozess unmöglich gemacht werden.

Um Tokens zu verifizieren, müssen Nutzer sicherstellen, dass ihre Tokens gültig sind, indem sie einen Verifizierungsprozess nutzen, der Quantenoperationen mit einem vom Bank bereitgestellten Orakel durchführt. Wenn das Ergebnis auf Gültigkeit hinweist, dann ist der Token echt.

Zusätzlich gibt es einen Quanten-Signing-Prozess. Dies ermöglicht einem Nutzer, eine klassische Signatur von einem Quanten-Zustand zu erhalten, ohne empfindliche Informationen preiszugeben. Der Nutzer verschlüsselt seine geheimen Schlüssel, bevor er sie an die Cloud sendet. Diese Cloud nutzt Verschlüsselungsmethoden, um den Quanten-Zustand zu bewerten und zu signieren, wodurch der Nutzer die Signatur erhält und gleichzeitig die Vertraulichkeit gewahrt bleibt.

Für Transaktionen zwischen zwei Nutzern, die Quanten-Tokens halten, kann einer echte Tokens haben, während der andere Dummy-Tokens hat. Indem er einen einzigartigen Identifikator sendet, kann der Inhaber des echten Tokens seinen Quanten-Token signieren und seinen Besitz der anderen Partei verifizieren, ohne sensible Details preiszugeben. Dieser Prozess ermöglicht den Transfer von Werten zwischen den Tokens zweier Nutzer, ohne dass eine Bank erforderlich ist.

#Prägung und Verifizierung von Quanten-Tokens

Um Tokens in unserem System zu erstellen, stellen wir einen Prägekreis zur Verfügung. Dieser Kreis erweitert den Quantenraum, während der Token sicher erzeugt wird. Eine Demonstration mit vier Qubits wird zeigen, wie dieser Prozess funktioniert.

Sobald die Prägung abgeschlossen ist, wird die Bank öffentliche Orakel bereitstellen, die den Nutzern Anleitungen geben, wie sie ihre Quanten-Tokens basierend auf den Ergebnissen des Prägeprozesses verifizieren können. Die Bank hat eine besondere Fähigkeit, die es ihr ermöglicht, präzise Werte offenzulegen, was die Verifizierung erleichtert.

Wir werden uns die Sicherheit unseres Delegationssystems ansehen. Wir gehen davon aus, dass die Cloud in gutem Glauben arbeitet, auch mit ihren Quantenfähigkeiten.

#Sicherstellung der Sicherheit des Protokolls

Ein wichtiger Aspekt ist, wie der Quanten-Zustand verwaltet wird. Wir behaupten, dass die Cloud nach der Prägung eine Sammlung von Quanten-Zuständen halten wird, die einem bestimmten, definierten Zustand sehr ähnlich sind. Die Verwendung von Quanten-vollhomomorpher Verschlüsselung bietet eine solide Sicherheitsbasis für dieses System.

Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Vertraulichkeit des Wandels, der im Prozess stattfindet. Wir argumentieren, dass dieser Wandel während des gesamten Betriebs sicher bleibt, selbst wenn die Cloud versucht, einen anderen Quanten-Token zu manipulieren, um die Verifizierung zu bestehen. Das würde den Sicherheits-Eigenschaften widersprechen, die sicherstellen, dass vertrauliche Informationen geschützt bleiben.

#Schätzung der Ressourcenanforderungen

Wir legen eine Schlüssellänge fest, um die Sicherheit des Tokens zu gewährleisten. Der Quanten-Zustand benötigt eine bestimmte Anzahl von Qubits, um ordentlich zu funktionieren. Die Schätzungen beinhalten eine Betrachtung der Ressourcen, die für das gesamte Protokoll erforderlich sind und sicherstellen, dass es für die aktuelle Technologie machbar ist.

Indem wir Quanten-Tokens mit unserem cloud-basierten semi-quantum money Ansatz erstellen und verifizieren, zielen wir darauf ab, ein praktisches System zu schaffen, das das Potenzial für eine breite Akzeptanz erhöht. Diese Forschung erkundet neue Wege, Quanten-Technologie in der Finanzwelt zu nutzen, während die Sicherheit im Vordergrund bleibt.