Quantencomputer: Chancen und Risiken

„Quantencomputer“: Das hört sich fast nach Science-Fiction an.

Aber ist dir bewusst, dass deine Visa-Karte in Zukunft von einem Quantencomputer gehackt werden könnte? Oder die Verschlüsselung deines WhatsApp-Chats oder deines Online-Bankings?

Man arbeitet jetzt schon daran, genau das zu verhindern. Unter anderem auch in Luxemburg.

In unserer neuen Folge von „Ziel mir keng!“ erklären wir, was ein Quantencomputer überhaupt ist, was ihn so revolutionär macht und ob wir jetzt alle um unsere Passwörter fürchten müssen. Und wir klären auch die Frage, ob in Zukunft jeder mit einem solchen Quantencomputer im Handy herumlaufen wird. 

Für dieses Video haben wir mit Dr. Florian Kaiser, Experte für Quantentechnologie am Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), zusammengearbeitet.

Photo: Florian Kaiser

Warum gelten Quantencomputer als potenziell revolutionär – und gefährlich?

Quantencomputer sind eine nationale Priorität – und potenziell revolutionär. 

Vor allem dann, wenn riesige Mengen an Möglichkeiten durchsucht werden müssen, sind Quantencomputer viel schneller als herkömmliche Computer – sogar schneller als Supercomputer. Sie könnten zum Beispiel dabei helfen, neue Medikamente oder Materialien zu entwickeln, sehr komplexe Optimierungsprobleme zu lösen, oder die Forschung zu beschleunigen und die Wirtschaft anzukurbeln. 

Mehr dazu später.

Aber Quantencomputer sind nicht in allem besser. Bei alltäglichen Aufgaben, wie E-Mails schreiben, Videos streamen oder Tabellen berechnen, sind sie einem herkömmlichen Laptop sogar unterlegen.

Und leider bringen sie auch Gefahren mit sich.

Die Verschlüsselung, die heute unsere Daten schützt, ist ein solches Beispiel. Dabei wird ein mathematischer Schlüssel verwendet, bei dem sehr große Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegt werden müssen. Während selbst heutige Hochleistungscomputer dafür Tausende oder sogar Millionen Jahre brauchen würden, könnte ein Quantencomputer das potenziell in wenigen Minuten oder Stunden schaffen.

Noch gibt es keinen so leistungsfähigen Quantencomputer, der unsere Verschlüsselung knacken könnte. Florian Kaiser schätzt, dass das noch mindestens zehn Jahre dauern wird. Es könnte sogar mehr Zeit brauchen, aber auch plötzlich sehr schnell gehen. Deshalb gilt es, vorbereitet zu sein.

Auch wegen des Prinzips „collect now, decrypt later“. Man muss davon ausgehen, dass schon heute Daten gesammelt werden, um sie zu knacken, sobald der Quantencomputer da ist.

Um das zu verhindern, arbeiten Forschende schon heute an „quantensicheren“ Verschlüsselungsmethoden, damit deine Daten auch in Zukunft vor Quantencomputern geschützt sind. Erste Standards werden schon heute weltweit umgesetzt, etwa bei Banken, Versicherungen oder anderen großen Unternehmen. Es gibt schon jetzt Internetbrowser oder Chat-Apps, die solche Systeme nutzen.

Auch in Luxemburg arbeiten Forschende an Quantensystemen und Quantenverschlüsselungen, zum Beispiel am LIST oder an der Universität Luxemburg, wo sie unter anderem daran arbeiten, LuxTrust quantensicher zu machen.

Darüber hinaus soll sichergestellt werden, dass in Zukunft jeder zu Hause einen quantensicheren Internetzugang hat.

Das ist also alles bereits Realität und nicht nur Zukunftsmusik.

Aber kommen wir jetzt erst einmal zu den Grundlagen: Was genau ist ein Quantencomputer, und warum kann er so unglaublich schnell rechnen?

Die Quantenwelt – die Welt des ganz Kleinen

Seit Jahrzehnten werden die Computerchips, mit denen Computer rechnen, immer kleiner, schneller und leistungsstärker. Laut dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich ungefähr alle zwei Jahre die Zahl der Transistoren auf einem Computerchip.

Vereinfacht gesagt bedeutet das, dass Computerchips immer kleiner und immer leistungsfähiger werden.

Auszug aus dem Video, in dem FNR-Wissenschaftsvermittlerin Michèle Weber Illustrationen von Computer-Chips und das Mooresche Gesetz erklärt. Bildnachweis: FNR/science.lu/SKIN.

Die Transistoren, also die Mini-Schaltkreise zum Rechnen, sind bei modernen Computerchips oft nur noch wenige Nanometer groß. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter. Das ist absurd klein!

Und hier stoßen wir langsam an eine Grenze, nämlich die Grenze zwischen der normalen Physik und der Quantenphysik. Werden die Chips noch kleiner, gelten plötzlich andere physikalische Gesetze: die Gesetze der Quantenphysik. Und diese Gesetze sind sehr merkwürdig, weil sie nicht unserer Alltagserfahrung entsprechen.

In unserer Alltagserfahrung, also in der „normalen“ Physik, ist ein Lichtschalter zum Beispiel entweder ein- oder ausgeschaltet. Ein Ball ist entweder im Tor oder daneben.

Bilder aus dem Video, die ein Beispiel aus der klassischen Physik veranschaulichen: Ein Ball befindet sich entweder im Tor oder daneben. Bildnachweis: FNR/science.lu/SKIN

In der Welt des winzig Kleinen, der Quantenwelt, gelten andere Regeln. Hier befinden wir uns auf der Ebene einzelner Atome oder noch kleinerer Teilchen wie zum Beispiel Elektronen. Und diese Teilchen können gleichzeitig an verschiedenen Orten sein und zugleich unterschiedliche Zustände einnehmen.

Ausschnitt aus dem Video, in dem Jean-Paul (Jhemp) Bertemes, Wissenschaftsvermittler beim FNR, veranschaulicht, dass Atome und sogar noch kleinere Teilchen mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können. Bildnachweis: FNR/science.lu/SKIN

Das ist zwar kaum vorstellbar und klingt absurd, ist aber schon seit 100 Jahren bekannt und vielfach experimentell nachgewiesen.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Quantencomputer nutzen verschiedene Phänomene dieser Quantenwelt zu ihrem Vorteil.

Herkömmliche Computer rechnen mit Bits. Das sind die oben erwähnten kleinen Schaltkreise auf einem Chip, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind. Ein Bit kann deshalb entweder den Zustand 1 oder 0 annehmen. Alles, was ein Computer macht – jedes Bild, jede E-Mail, jede App –, besteht letztlich aus einer Reihe von Nullen und Einsen.

Ein Quantencomputer nutzt sogenannte Quantenbits, kurz Qubits. Diese bestehen aus Atomen, Ionen, Elektronen, Photonen oder anderen Teilchen aus der Quantenwelt. Und dank der Quantenphysik können diese Qubits sich nicht nur im Zustand 0 oder 1 befinden, sie können beide Zustände gleichzeitig einnehmen und auch alle Positionen dazwischen. Es gibt also viel mehr Möglichkeiten gleichzeitig. Das nennt man Superposition.

Die Wirkung wird oft mit einem Navi oder dem besten Weg für die Paketzustellung veranschaulicht: Während ein herkömmlicher Computer jeden Weg einzeln der Reihe nach testet, kann ein Quantencomputer alle gleichzeitig prüfen, was natürlich schneller ist.

Ausschnitt aus dem Video, das die Funktionsweise der klassischen Informatik und der Quanteninformatik am Beispiel eines GPS-Geräts veranschaulicht, das die schnellste Route berechnet. Bildnachweis: FNR/science.lu/SKIN

Dann kommt noch ein zweites Phänomen hinzu: Zwei Qubits können so miteinander verbunden sein, dass der Zustand des einen direkt den des anderen beeinflusst – egal, wie weit sie voneinander entfernt sind.

Das nennt man Verschränkung. Einstein hat dieses Phänomen übrigens „spukhafte Fernwirkung“ genannt.

Durch diese Verschränkung können Qubits in einem System besser zusammenarbeiten und falsche Lösungen viel schneller aussortieren. Dies macht den Quantencomputer wiederum schneller, wenn man es schafft, diese Verschränkungs- und Superpositionseffekte zu kontrollieren. Und das ist leider gar nicht so einfach und sehr aufwendig, was ein großer Nachteil des Quantencomputers ist.

Damit ein Quantencomputer funktioniert, müssen die Qubits extrem gut vom Rest der Welt isoliert werden.

Man braucht zum Beispiel extrem gute Vakuumkammern, und bestimmte Systeme müssen auf bis zu -273 °C heruntergekühlt werden, das ist kälter als im Weltall.

Außerdem muss man dafür sorgen, dass sie kaum mit der Außenwelt reagieren können, denn das würde das sensible System durcheinanderbringen.

Also nein: Ein solcher Quantencomputer wird so bald nicht in deinem Handy stecken.

Wann kommt der Quantencomputer?

Du wirst auch nicht demnächst einen Quantencomputer zu Hause haben.

Das wäre ein bisschen so, als würde man glauben, dass die Leute demnächst ein Atomkraftwerk im Keller haben werden.

Quantencomputer sind, zumindest im Moment noch, riesige goldene Apparate, die wie Kronleuchter aussehen und mitten in einem speziell abgeschirmten Labor stehen.

Der 50-qubit Quantencomputer-Prototyp von IBM, ausgestellt bei der CES 2018. Foto: Lars Ploughman via Wikimedia Commons. Originalquelle: Flickr.

Sie werden eher von großen Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Regierungen genutzt werden und über die Cloud für bestimmte Anwendungen zugänglich sein, aber nicht für die breite Masse.

Die leistungsfähigsten Quantencomputer haben heutzutage erst einige Hundert Qubits. Für einen ernsthaften Angriff auf unsere heutigen Verschlüsselungsverfahren bräuchte man jedoch eher einige Millionen stabile Qubits. In dieser Hinsicht besteht heutzutage also noch keine Gefahr.

Außerdem machen Quantencomputer laut Florian Kaiser derzeit noch zu viele Rechenfehler, weil die Isolierung von der Außenwelt noch nicht gut genug klappt. Aber die Entwicklung schreitet extrem schnell voran.

Fazit

Quantencomputer sind keine Science-Fiction mehr. Sie nutzen die seltsamen Regeln der Quantenphysik, um Probleme zu bewältigen, die für normale Computer unmöglich sind.

Das macht sie zu einer riesigen Chance für Medizin, Forschung und Wirtschaft. Und deshalb investieren so viele Länder und Unternehmen in diese Technologie. Auch in Luxemburg haben wir eine nationale Quantenstrategie.

Aber Quantencomputer werden deinen Laptop nicht ersetzen. Außerdem könnten sie zu einer Gefahr für unsere digitale Sicherheit werden.

Wann genau werden wir die komplizierte Technologie der Quantencomputer gut genug beherrschen, um richtig loszulegen? Das ist schwer zu sagen. Aber schon heute arbeitet man daran, uns darauf vorzubereiten.

Du willst mehr zum Thema wissen? Dann lies unseren ausführlichen Artikel aus dem letzten Jahr, mit weiteren Einordnungen von Florian Kaiser:

Autor: Jean-Paul Bertemes (FNR)
Redaktion: Michèle Weber, Linda Wampach, Anouk Ewen (FNR)
Peer-Review: Florian Kaiser, Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST)
Übersetzung: Nadia Taouil (t9n.lu)
Video Regie und Schnitt: Dominique Weber (SKIN)
Kamera: Constantino Danopoulos (SKIN
Teleprompter : Max Stoltz (SKIN)
Illustrationen : George Dos Santos, Noémie Brück, Anton Stepine (SKIN)