Quantencomputer gelten neben Künstlicher Intelligenz als Zukunftstechnologie schlechthin.Welche Möglichkeiten und Gefahren die Technik mit sich bringt
In den letzten Jahren ist es gängig geworden, Unerklärliches in Actionfilmen durch beliebige futuristische Technologien zu erklären, denen das Wort „Quanten“ vorangestellt wird. Höchste Zeit, dem Konzept des Quantencomputers stellvertretend auf den Grund zu gehen.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Computer, dessen Prozesse mit Bits ablaufen, operiert ein Quantencomputer mit Qubits. Der zentrale Unterschied zwischen Bits und Qubits besteht darin, dass Qubits nicht nur zwei Zustände (nämlich 0 und 1) annehmen können, sondern auch jede beliebige Superposition, ein als Gewichtung mit der Messwahrscheinlichkeit zu verstehender Zwischenzustand, wobei beiden Zuständen eine Wahrscheinlichkeit zugeordnet ist. Erst nachdem das Qubit gemessen wird, liegt es eindeutig im Zustand 1 oder 0 vor.
Zudem können Systeme quantenmechanisch verschränkt werden, was bedeutet, dass sie zusammen ein festgelegtes Ganzes bilden, obwohl die einzelnen Teile für sich genommen unbestimmt bleiben. Wird das Gesamtsystem verändert, ändern sich auch die Subsysteme. Es ist jedoch nicht festgelegt wie. Erst wenn ein Subsystem gemessen wird, ist das andere sofort eindeutig festgelegt – egal, wie weit die beiden Subsysteme voneinander entfernt sind – also ohne direkte und damit klassische Wechselwirkung.
Ein Beispiel: Betrachten wir eine hochgeworfene Münze, so ist während des Flugs nicht klar, ob „Kopf“ oder „Zahl“ vorliegt. Erst beim Fangen, also der Messung, ist das Ergebnis eindeutig festgelegt. Da Kopf und Zahl mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten, liegt während des Flugs eine gleichgewichtete Superposition vor.
Quantencomputer haben ganz andere Möglichkeiten als klassische Rechner
Nehmen wir nun zwei andere Münzen – die eine zeigt nur Kopf, die andere nur Zahl – werfen und fangen sie, ohne nach dem Ergebnis zu schauen und entfernen uns, mit je einer Münze, so weit wie möglich voneinander, so weiß ich sofort, was die andere Person für eine Münze in der Hand hält, sobald ich meine anschaue. Die beiden Münzen waren verschränkt.
Ein Computer zusammengesetzt aus Qubits hat nun aufgrund dieser Konzepte ganz andere Möglichkeiten als ein klassischer Computer: Es ist möglich, manche Probleme schneller oder überhaupt erst zu lösen.
Eines dieser Probleme ist das Faktorisierungsproblem, also die Bestimmung der Zerlegung einer Zahl in ihre Primfaktoren. Für herkömmliche Computer ist bisher kein Algorithmus bekannt, der diese Faktorisierung effizient berechnet. Mit einem leistungsfähigen Quantencomputer wäre dieses Problem jedoch schnell lösbar.
Das hätte bedeutende Auswirkungen auf die IT-Sicherheit: Gängige Verschlüsselungs- verfahren basieren oft auf der schweren Lösbarkeit des Faktorisierungsproblems oder vergleichbaren mathematischen Problemen. Mithilfe eines Quantencomputers könnte man diese Verschlüsselungen leicht knacken und beispielsweise auf E-Mails, Passwörter oder Onlinebanking zugreifen. Obwohl noch kein leistungsfähiger Quantencomputer zur Verfügung steht, stellen sogenannte „store now – decript later“-Angriffe ebenfalls eine ernstzunehmende Gefahr für den Datenverkehr dar.
Die technische Revolution liegt in einer Symbiose beider Computertypen
Aus diesem Grund wird in der Kryptographie an Verschlüsselungsmethoden geforscht, die resilient gegenüber Angriffen von Quantencomputern sind. Diese basieren meist auf mathematischen Problemen, die selbst ein Quantencomputer nicht effizient lösen kann. Nun ist es aber nicht so, als dass Quantencomputer herkömmlichen Computern in jeder Hinsicht überlegen wären. Die technologische Revolution liegt mehr in einer Symbiose beider Computertypen. Zudem ist es technisch höchst anspruchsvoll, einen Quantencomputer zu bauen. Die beschriebenen quantenmechanischen Effekte treten nur auf atomarer Skala auf, was derartige Systeme instabil, schwer zu kontrollieren und nur in speziellen Laboren umsetzbar macht.
Für Interessierte ist folgende Webseite zu empfehlen: quantum-guide.info, die sich zwar nicht nur ausschließlich mit Quantencomputing auseinandersetzt, aber viele hier nur kurz erwähnte Grundlagen ausführlicher und zugänglich darstellt.
Von Katharina Frank und Maximilian Fülle
...studiert Physik im Bachelor und schreibt seit Ende 2023 für den ruprecht. Sie interessiert sich besonders für Wissenschaftskommunikation und Berichte aus Musik, Film und Fernsehen.
...studiert Mathematik im Master und schreibt seit dem Sommersemester 2024 für den ruprecht. Neben Politik und Literatur interessiert er sich für alles, was in der Uni gerade wichtig ist.
