Medizinischer Fortschritt, Industrieoptimierung, ultraschnelle Berechnungen: Quantenrechner gelten als die nächste Revolution in der Computertechnik. Doch je rascher die Entwicklung voranschreitet, desto deutlicher wird auch: Die heutigen Verschlüsselungsmethoden des Internets sind gefährdet.

Text Tino Scholz

Jeder Schluck aus der Kaffeetasse birgt auch ein Geheimnis. Das ist es in etwa, was Jerry Chow während seines Vortrags vermitteln will, auf der Empore in einer großen Halle in San Francisco stehend, vor ihm Hunderte interessierte Zuhörer, hinter ihm das chemische Symbol von Koffein. Chow, Experimentalforscher für Quantencomputertechnik bei IBM, sagt: „Die Komplexität, die diesem Molekül innewohnt, geht weit über die Rechenmöglichkeiten unserer heutigen Computer hinaus. Wir können es nicht analysieren oder simulieren.“ Kurze Pause. „Kein Computer mit der heutigen Technologie wird dazu jemals in der Lage sein.“ 

Koffein steht dabei exemplarisch für eine Vielzahl an Molekülen, die der Mensch für Forschungszwecke gern besser verstehen würde. Bis hin zur DNA, der Trägerin der Erbinformation sämtlicher Lebewesen. Jerry Chow sagt, dass es Zeit sei für einen Paradigmenwechsel. „Vergleichbar mit der Entwicklung vom Pferdewagen zum Warp-Antrieb des Raumschiffs Enterprise.“ Die Lösung hält er in der Form eines kleinen Prozessors in seiner Hand. Dieser soll in Zukunft fähig sein, Koffein und weitere Moleküle zu entschlüsseln. Und mehr noch: Er soll die medizinische Forschung revolutionieren sowie industrielle Prozesse grundlegend optimieren.

Der Prozessor ist Teil eines Quantencomputers – jener neuen Generation von Supercomputern, die in der Lage sein werden, Rechenoperationen exorbitant schnell durchzuführen. Konkret bedeutet dies: Bräuchte ein Rechner für eine spezielle Berechnung heute theoretisch Millionen von Jahren (was de facto einem unlösbaren Problem entspricht), könnte ein Quantencomputer dies in einer Woche lösen. Oder an einem Tag. Oder womöglich noch schneller. 

 

TEMPERATUREN WIE IM WELTALL
Die Überlegenheit des Quantencomputers ergibt sich, vereinfacht gesagt, aus seiner Flexibilität. Ein klassischer Computer rechnet mit Bits, die genau in zwei Ausprägungen auftreten können: entweder als 0 oder als 1. Quantencomputer dagegen arbeiten mit sogenannten Quantenbits (Qubits), die mit physischen Teilchen realisiert werden, zum Beispiel einem Atom, Elektron oder Photon. Qubits unterliegen der Quantenphysik. Sie können neben den Zuständen „0“ und „1“ auch beide Zustände gleichzeitig annehmen. Diese besondere Eigenschaft wird als Superposition bezeichnet. Hinzu kommt, dass sich verschiedene Quantenteilchen in verschränkte Zustände bringen lassen – so wächst die Zahl der Kombinationen und somit die Rechenleistung exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Dafür müssen die Prozessoren allerdings vollständig von der Außenwelt isoliert werden. Sie arbeiten meist im Vakuum und in speziellen Kühlkammern, in denen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) herrschen. Das entspricht in etwa der Temperatur des Weltalls. 

 

Soweit die Theorie: Denn noch sind die ersten marktfähigen Quantencomputer viele Jahre entfernt. Der Technologiekonzern Microsoft, der die Entwicklung selbst energisch vorantreibt, spricht auf seinem Blog auch von einer riskanten Wette auf die Zukunft. Die Jahre 2030 oder 2035, die ab und an als Zieldatum fallen, sind eher als grobe Orientierung zu verstehen. Doch klar ist auch: Die Dynamik in diesem Markt hat rapide zugenommen – nicht zuletzt seit Google gemeinsam mit der NASA im Dezember 2015 verkündete, den Experimentaltypen eines Quantencomputers gebaut zu haben, der „unter bestimmten Laborbedingungen 100 Millionen Mal“ schneller arbeite als ein gewöhnlicher Rechner. IBM investiert Jahr für Jahr Millionen US-Dollar in die neue Technologie. Intel forscht ebenfalls, Microsoft wirbt mit seinem Superteam um Teamleiter Todd Holmdahl, der Optimismus verbreitet: „Wir gehen momentan über von der Forschung in die Entwicklung. Wir stehen an einem Wendepunkt.“

Auch der niederländische Wirtschaftsminister Henk Kamp sagt: „Weltweit findet derzeit ein technologischer Wettlauf zwischen Europa, den USA und China um die Entwicklung des ersten Quantencomputers statt.“ Und alle drei investieren massiv in die Forschung: Eine Milliarde Euro steckt die Europäische Union in den nächsten Jahren im Rahmen eines Flaggschiffprojekts in die Forschung zur Quantentechnologie. Chinas Regierung hat im vorigen Jahr den weltweit ersten Quantensatelliten ins All geschickt, der eine abhörsichere Kommunikation und Datenübertragung ermöglichen soll. Der US-Auslandsgeheimdienst NSA soll ebenfalls ein Entwicklungsprojekt vorantreiben – das geht aus Dokumenten des Whistleblowers Edward Snowden hervor. 

Aus 0 und 1 wird eins

 

ENTSCHLÜSSELTE GEHEIMNISSE

Die Vehemenz, mit der die Entwicklung vorangetrieben wird, ist dabei wenig verwunderlich – zumindest für Michele Mosca, einem bedeutenden Vertreter der Branche. Unter anderem ist er Mitbegründer des Instituts für Quantencomputer an der Universität von Waterloo in Kanada und Sonderberater des Global Risk Institute für Cybersicherheit. „Viele Staaten rund um die Welt wollen die Heimat dieser Revolution sein. Da geht es auch um große ökonomische Perspektiven“, sagt er während eines Telefongesprächs. 

Mosca nimmt sich fast eine Stunde Zeit, um über die Quantencomputer zu sprechen, obwohl er es eilig hat. Er ist auf dem Weg nach München, wo er im Rahmen der Digital-Life-Design-Konferenz einen Vortrag über Quantencomputer und Fragen der Sicherheit halten wird. „Wir sind immer noch ziemlich am Anfang, es gibt noch wenig konkreten Nutzen und Geschäftsmodelle“, sagt er. „Aber das ist normal.“

Was Mosca meint: Zum jetzigen Zeitpunkt kann nur spekuliert werden, welche Auswirkungen Quantencomputer künftig haben werden. Als ausgemacht gilt, dass sie nicht die herkömmlichen Rechner ersetzen, sondern vielmehr ergänzen werden. Und dass sie dort zum Einsatz kommen, wo nur noch exorbitante Rechenleistung hilft. Die Simulation ganzer Molekülketten gilt als eine der größten Verlockungen der Quantentechnologie. Neue Medikamente oder Materialien könnten am Bildschirm entworfen und getestet werden, das teure Trial and Error, etwa in der Pharmaindustrie, entfiele. 

Forscher preisen ebenfalls die mögliche Optimierung von Logistik- oder Industrieprozessen. Schon jetzt schwebt ihnen eine Metalllegierung vor, mit der sich Strom verlustfrei übertragen ließe. Die Einsparungen wären immens. Zudem könnte die Quantentechnologie für eine lernfähige künstliche Intelligenz sorgen, die sogar das menschliche Gehirn übertreffen könnte, da theoretisch alle Lösungswege parallel ausprobiert werden könnten. Allein: Es scheint noch viel mehr möglich zu sein, was heute noch gar nicht abgeschätzt werden kann. 

Empfindliche Technologie

Empfindliche Technologie

Zahlreiche global tätige IT-Konzerne wie Google, Microsoft, D-Wave oder Intel forschen an den Quantencomputern. Es ist ein Wettrennen entstanden, bei dem es vor allem um ein Ziel geht: Wer kann als Erster einen breitflächig nutzbaren Quantencomputer entwickeln?

 

Mit der Entwicklung der technischen und digitalen Innovation beschäftigt sich auch Rainer Seidlitz. Der Spezialist für IT-Sicherheit von TÜV SÜD verfolgt das Thema Quantencomputer aufmerksam, „auch wenn es eher ein langfristiges Thema ist.“ „Quantencomputer werden einen Impact auf viele Themen wie Enterprise Security, Industrie 4.0 oder das Internet der Dinge haben“, sagt er. „Die Rechenkapazität ist bei allen diesen Bereichen oft der Dreh- und Angelpunkt. Wir sehen da ein Riesenpotenzial.“

Und ein Riesenrisiko: Im Rahmen der IT-Sicherheit kommt der Verschlüsselung von Daten, der sogenannten Kryptografie, eine hohe Wichtigkeit zu. „Informationen stellen bedeutende Werte dar, die geschützt werden müssen. Wir beschäftigen uns daher schon jetzt mit Fragen der, die künftig in diesen Bereichen auf unsere Kunden und uns zukommen werden.“

 

DIE ZUKUNFT ALS CHANCE – UND RISIKO  

Zwar würde die Sicherheit der Datenübertragung im Zeitalter der Quantencomputertechnik stark ansteigen – vor allem, weil die Verschlüsselung zwischen Quantencomputern äußerst sicher ist und jeder Angriff unmittelbar nachvollzogen werden kann. Doch mit Blick auf unsere gegenwärtige Verschlüsselung der Daten sind die Quantencomputer eine Bedrohung, weil die potenziell überlegenen Rechner viele der heute gängigen Kryptografien der internetbasierten Kommunikation durch ihre hohe Rechenleistung außer Kraft setzen könnten. 

2015 hat Michele Mosca Folgendes berechnet: Schreitet die Entwicklung der Quantencomputer wie bisher voran, bestehe „2026 die Chance von eins zu sieben, dass die gängigen Sicherheitstools gebrochen werden können. 2031 liegt diese Chance bereits bei 50 Prozent“. Heute sagt er: „Ich habe die Zahlen aktualisiert und werde sie auch veröffentlichen. Was ich bereits sagen kann, ist, dass sie sich nicht sehr verändert haben. 2026 ist immer noch ein Risiko, das nicht ignoriert werden darf.“

Entwickler forschen daher seit Jahren an Verschlüsselungen, die auch von Quantencomputern nicht gebrochen werden können. Es gibt zwar bereits sichere Algorithmen, doch diese sind in der Praxis oft nicht praktikabel. Um die Post-Quanten-Kryptographie in gängigen Verschlüsselungsprotokollen zu etablieren, ist noch viel Forschungsarbeit notwendig. Dafür braucht es laut Michele Mosca auch die Hilfe der Nutzer. „Unternehmen müssen das Risiko verstehen. Welche Informationen müssen zum Beispiel 2026 geschützt sein? Man darf nicht nur auf das Beste hoffen, sondern muss schon heute handeln.“ Denn: Auch Internetverbindungen, die heute verschlüsselt werden, können gespeichert und womöglich in einigen Jahrzehnten entschlüsselt werden. 

Für Mosca gibt es drei Szenarien, die er im Zusammenhang mit der Entwicklung einer sicheren Kryptografie für realistisch hält. Das erste ist der Worst Case: „Wir haben keine funktionsfähigen Sicherheitstools, wenn die Quantencomputer so weit sind. Die Cybersysteme kollabieren.“ Bei der zweiten Variante „gelingt es, eine Kryptografie zu entwickeln, die funktioniert. Aber recht spät, weil wir uns zuvor viel Zeit gelassen haben. Die schnelle Implementierung hat Fehler zur Folge, die uns jahrelang nachhängen. Beim Best Case entwickeln wir, ohne zu hasten, eine funktionsfähige Kryptografie mit sicheren Tools. Es wird Ausnahmen geben, aber besonders wichtige IT-Infrastrukturen und Systeme werden sicher sein und nicht kollabieren.“ Je früher die Sensibilisierung in der Gesellschaft gelingt, desto geringer wären die negativen Auswirkungen. 

Mosca hofft verständlicherweise, dass der Best Case eintritt. Dass die Bedrohung, die von Quantencomputern ausgeht, beseitigt werden kann. „Denn seien wir mal ehrlich“, sagt er, „wir alle wollen, auch wenn es hart klingt, kein Daten-Pearl-Harbor. Wir wollen viel lieber von den vielen Vorteilen dieser Technik profitieren.“ 


Was Unternehmen schon jetzt tun sollten