Veröffentlich in den Insights
14.05.2018 10:00

Zukunftsmusik: Quantencomputer und die Crux mit der Sicherheit

Computer Prozessor

Der rasante digitale Fortschritt der letzten Jahrzehnte fußt auf der nicht weniger schnellen Weiterentwicklung von Computern und deren Herzstücken, den Prozessoren. Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, formulierte 1965 das Mooresche Gesetz, welches besagt, dass sich die Komplexität und damit die Leistung von Prozessoren alle 2 Jahre verdoppelt – bei gleichbleibenden Kosten. Nach Jahrzehnten exponentieller Entwicklung stößt das Gesetz aber an physikalische Grenzen. Wie geht es jetzt weiter mit dem digitalen Fortschritt?

Man kann sie nicht umgehen, die Gesetze der Physik. Viele Milliarden Transistoren finden sich auf modernen Prozessor-Chips, die kleiner sind als eine Briefmarke. Die Leiterbahnen der Chips sind nur noch wenige Atome breit und haben damit das Ende der Fahnenstange siliziumbasierter Chips fast erreicht. Alles darunter ist physikalisch kaum möglich und wirtschaftlich nicht rentabel. Müssen wir uns also von nun an mit immer gleicher Rechenleistung zufriedengeben?

Das ist mehr als unwahrscheinlich, doch die Geschwindigkeit, mit der die Rechenleistung zunimmt, wird wohl vorerst geringer werden, während Forscher mit neuen Technologien experimentieren. Darunter fallen Versuche mit anderen Materialien als Silizium sowie komplett neue Architekturen. Das wohl bekannteste dieser Modelle ist der Quantencomputer. Der kommt nicht nur mit seinem Namen sehr futuristisch daher, er stellt auch potentiell eine Bedrohung für Moores Gesetz dar. Denn wenn er einmal so funktioniert, wie gedacht, dann potenziert er auf einen Schlag heute übliche Rechenleistungen.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Quantencomputer arbeiten ganz anders, als herkömmliche Rechner. Ganz vereinfacht dargestellt arbeitet der Computer oder das Smartphone, vor dem sie gerade sitzen, mit Bits als kleinste Informationseinheit. Das Wort Bit kommt von binary digit. Dies bedeutet nichts weiter, als dass ein Computer alle Informationen im Binärsystem (Dualsystem oder Zweiersystem) mit den Zahlen 1 und 0 darstellt.

Ein Bild, das Sie im Netz ansehen oder auf der Festplatte gespeichert haben, besteht also auch aus einer Reihe von Nullen und Einsen – und zwar bei einer Größe von einem Megabyte aus 8.388.608 davon (Bits). Das sind 1.048.576 Bytes oder 1.024 Kilobytes. Um dies zu speichern wird auf einer SD-Karte jeweils ein winziger Bereich entweder mit einer elektrischen Ladung versehen (1) oder bleibt ohne Ladung (0) – jeder dieser mikroskopischen Bereiche repräsentiert ein Bit, das entweder 1 oder 0 sein kann.

Quantencomputer arbeiten statt mit Bits mit Quantenbits (Qubits). Das klingt nicht nur irgendwie spannender, die Qubits haben auch interessante Eigenschaften. Sie können nicht nur 0 oder 1 sein, sondern auch gleichzeitig 0 und 1 sowie sich für eine winzig kleine Zeitspanne zwischen 0 und 1 bewegen – diesen Zeitraum nennt man Kohärenzzeit, in dem sich die Qubits in einer “Superposition” befinden. Der Experimentalphysiker Rainer Blatt erklärt das wie folgt:

Nehmen Sie ein Wasserstoffatom mit einem Elektron als Bit. Wenn das Elektron auf der Innenbahn ist, ist der Zustand null. Wenn wir es per Laser anregen und es ein Photon geschluckt hat, ist es auf einer Außenbahn, dann ist der Zustand eins. Nun ist es aber so, dass es in der Quantenmechanik nicht nur die zwei Zustände gibt, sondern auch alle möglichen Überlagerungszustände. Sie können das Elektron durch Wechselwirkung mit Licht in einen beliebigen Zustand bringen. (Quelle: FAZ)

Da sich mehrere Qubits in sogenannten Quantenregistern befinden, und sich der Zustand des gesamten Registers ändert, wenn man auf nur eins der Qubits Einfluss nimmt, ist die Geschwindigkeit einer Rechnung bedeutend höher, als bei herkömmlichen Computern. Die Messung des Zustands der Qubits und damit die Speicherung der Ergebnisse ist aber extrem schwierig. So schwierig, dass es wohl noch eine ganze Weile dauern wird, bis man Quantencomputer ernsthaft einsetzen kann.

Eine Bedrohung für bestehende Verschlüsselungen?

Wenn sie aber irgendwann ausgereift sind, sind sie vielleicht in der Lage, die heute als sicher geltenden kryptographischen Verfahren, wie “sichere” Passwörter und RSA-Keys, die zur Verschlüsselung von Daten verwendet werden, im Handumdrehen zu knacken. Das würde alle Industrien irgendwann vor das Problem stellen, dass sie Daten nicht mehr sicher übertragen und aufbewahren können – was ein riesiges Chaos nach sich ziehen könnte.

Die heute gängigen Verschlüsselungsverfahren, wie RSA, sind sicher, weil es keine Möglichkeit gibt, sehr große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen (Faktorisierung). Es werden beim RSA-Verfahren zwei Schlüssel erstellt, ein öffentlicher und ein privater. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Einwegfunktion, deren Hinweg sehr leicht zu errechnen ist, der Rückweg aber extrem schwierig. Der öffentliche Schlüssel verschlüsselt eine Nachricht, der private kann sie wieder entschlüsseln. Theoretisch lässt sich aus dem öffentlichen Schlüssel per Faktorisierung der private Schlüssel errechnen und bei kurzen Zahlenfolgen ist dies sogar recht einfach, wird jedoch zunehmend schwerer, je länger der Schlüssel ist.

Aktuell sind RSA Verfahren mit 2048 bit üblich. Kein Computer der Welt kann alle möglichen Kombinationen an Ziffern bei einer solchen Länge in realistischer Zeit errechnen, deshalb ist die Verschlüsselung heute sicher. Ein Quantencomputer könnte diese theoretisch knacken – aber nur wenn er mit Bitlängen von mindestens 1024 arbeiten und damit jede der 1024 Ziffern als Qubits gleichzeitig als 1 und 0 darstellen kann. Aktuell bewegt sich diese Zahl aber noch im einstelligen Bereich und die Auswertung der Ergebnisse ist noch unzuverlässig.

Vorrangig aber arbeiten Forscher erst einmal an Quantencomputern, um mit ihnen komplexe Simulationen zu Forschungszwecken auszuführen. Alles deutet darauf hin, dass Quantencomputer, wie einst Großrechner, langfristig in Forschungseinrichtungen positioniert sind und nicht etwa in heimischen Wohnzimmern gefährlicher Hacker stehen werden. Forscher oder Behörden können Rechenzeit beantragen und bekommen ihre Ergebnisse dann zugesendet. Damit ist der Zugang für Verbrecher extrem schwierig aber nicht unmöglich.

Erstmal sind unsere Daten im Netz aber sicher verschlüsselt und wir können uns zurücklehnen während wir beobachten, welche neue Technologien uns in Zukunft schnellere Rechner bescheren werden.