Quantencomputer - Segen und Fluch

Quantencomputer sind Rechenmaschinen, die zur Berechnung Quantenbits, kurz Qubits, verwenden und nach den Eigenschaften der Quantenmechanik funktionieren.

Qubits können wie klassische Bits zwei stabile Zustände einnehmen: Wahr und falsch. Zusätzlich existiert noch ein dritter, instabiler Zustand, die Überlagerung beider stabilen Zustände - auch Superposition genannt. In der Superposition sind sowohl der Zustand 'wahr' als auch 'falsch' gleichzeitig möglich. Erst durch eine "Berechnung" - genauer gesagt durch eine Messung - nimmt das Qubit nach den Zustand der Überlagerung einen endgültigen, stabilen Zustand ein. [1]

Die Verwendung mehrere Qubits ermöglicht es zudem diese miteinander zu verknüpfen - zu verschränken - und so diese miteinander wechselwirken zu lassen. Damit sind logische Operationen umsetzbar.[1]

Durch die quantenmechanische Eigenschaft der Superposition und der Verschränkung sind das Auffinden von Lösungen für komplexe Aufgaben innerhalb weniger Sekunden möglich, wofür klassische Supercomputer mehrere tausend Jahre benötigen würden.
Die Rechenleistung der Quantencomputer steigt hier exponentiell mit Anzahl der Qubits, wohingegen die Rechenleistung der klassischen Computer linear mit der Anzahl der Recheneinheiten steigt.[1]

Nutzen der Quantencomputer

Die enorme Rechenleistung der Quantencomputer ermöglicht und vereinfacht viele Prozesse. Vor allem im Bereich der Simulation werden Quantencomputer neue Rekorde aufstellen. Wetterprognosen lassen sich damit in Sekundenbruchteilen bestimmen. Neue Materiellen und Medikamente können binnen Sekunden auf molekularer und atomarer Ebene auf ihre Eigenschaften überprüft werden und so wird deren Erforschung massiv beschleunigt.[2]

Durch die enorme Parallelisierung sind Berechnungen mit abertausenden Parametern möglich, was vor allem der Erforschung der künstliche Intelligenz (KI) einen enormen Schub geben wird. Mittels Quantencomputer könnte sich die Trainingszeit der KI exponentiell verkürzen. AlphaGo Zero brauchte etwa 21 Tage [2], um das Spiel Go auf Master-Niveau spielen zu erlernen. Mittels Quantencomputer wäre das gleiche Ergebnis in ein vielfaches weniger Zeit zu erreichen.

Kehrseite der Quantencomputer

Auf der anderen Seite beruhen viele Verfahren der Datensicherheit darauf, dass das Brechen dieser Verfahren mit aktuellen klassischen Rechenmaschinen zu viel Zeit in Anspruch nähme. Sogenannte Einweg-Funktionen kommen hier zu tragen. Das sind Berechnungen, die in einer Richtung leicht zu berechnen sind, aber deren Umkehrung viel aufwändiger zu berechnen ist: Die Multiplikation zweier Primzahlen ist recht einfach: 13 * 7 = 91 Die 91 wieder in ihre Primfaktoren zu zerlegen ist hingegen deutlich aufwendiger.

Mittels Quantencomputer ließen sich nun modernen Verschlüsselungsmethoden innerhalb von Sekunden aushebeln, wofür aktuelle klassische Supercomputer abertausende Jahre bräuchten. Quantencomputer bedrohen damit die Sicherheit sensibler Daten, wie Online-Banking, Informationen nationaler und internationaler Sicherheit, aber auch Kryptowährungen. [6]

Kryptografie und Kryptowährungen der Zukunft

Technologische Fortschritte haben bisher nicht nur Einschnitte bei der Kryptographie bedeutet, sondern diese auch erst ermöglicht. Historisch bekanntes Beispiel ist die ENIGMA, die im zweiten Weltkrieg vom deutschen Militär zur Kommunikation mit ihren Truppen eingesetzt wurde. Mit ihr verschlüsselte Nachrichten sind bis heute nur mit enormen Rechenaufwand über mehrere Monaten[3] bis Jahren[4] hinweg knackbar. Auch Kryptowährungen wären ohne den Einsatz von Computern nicht realisierbar.

Bei aktuelle Kryptowährungen bietet vor allem das Mining und der private Schlüssel enorme Angriffsflächen für Quantencomputer. Mittels Quantencomputer ließen sich die "mathematischen Rätseln", die an die Miner gestellt werden, in null Komma Nichts lösen. Auch das Auffinden des privaten Schlüssels aus dem öffentlichen Schlüssel wäre damit ein Kinderspiel.[6]

Neue Technologien greifen zwar alte Technologien an, bieten aber auch gleichzeitig andere, neue Möglichkeiten. Mittels Quantenverschränkung ist zum Beispiel abhörsichere Kommunikation möglich. Die Klassische Kryptographie wird von Quantencomputer kaum bedroht. Bei ihr lässt sich die Sicherheit durch entsprechende Erweiterung der Schlüssellänge exponentiell steigern[1]. Nur die aktuell verwendeten Verfahren der asymmetrischen Kryptographie sind anfällig gegenüber Quantencomputer, wie sie bei Schlüsselpaaren mit privaten und öffentlichen Schlüssel zum Einsatz kommen.

Dennoch wird bereits das Thema der Quantenkryptographie ausgiebig erforscht - auch als Post-Quanten-Kryptographie bezeichnet. Damit sollen Verfahren entwickelt werden, die selbst für Quantencomputer nicht in "kurzer" Zeit lösbar sind.[5] Für Blockchains werden spezielle Ledger entwickelt, sogenannte quantenresistenten Ledgern, die einem Angriff mit Quantencomputer widerstehen.[6] Doch bis zur realen Gefahr von Quantencomputer verbleiben noch einige Jahre, sodass aktuelle Blockchains auf diese Gefahr hin angepasst und ihr gegenüber resistent gemacht werden können.

Quellen:

1. Lars Jaeger: Quantencomputer – Die nächste Revolution in der Informationstechnologie des 21. Jahrhunderts?, 7.01.2017, abgerufen am 21.02.2018
2. Demis Hassabis, David Silver: AlphaGo Zero: Learning from scratch, 18.07.2017, abgerufen am 21.02.2018
3. M4 Message Breaking Project, abgerufen am 21.02.2018
4. M4 Project 2006, Third Message abgerufen am 21.02.2018
5. Post-Quanten-Kryptographie abgerufen am 21.02.2018
6. Kai Schiller: Quantencomputer als Gefahr für die Blockchain, 13.02.2018, abgerufen am 21.02.2018