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Der Quantendualismus.
Mit Quantencomputern ist wohl zu rechnen. Wann wir davon profitieren, weiß zwar noch niemand, wofür wir sie nutzen werden, kann man sich aber schon vorstellen. So wie Quanten selbst gleichzeitig mehrere Zustände haben können, sind ihre Einsatzmöglichkeiten nicht nur vielfältig, sondern auch mehrdeutig. Denn der Quantensprung in der Leistungsfähigkeit ermöglicht einerseits, komplexere Probleme denn je zu lösen – und andererseits, jede heute eingesetzte Verschlüsselungstechnologie zu knacken. Fragt sich, wer womit zuerst am Start ist.

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Google nahm 2019 in Anspruch, mit seinem Quantenprozessor „Sycamore“ erstmals die sogenannte Quantenüberlegenheit erlangt zu haben: per Definition die Lösung einer Rechenaufgabe, für die der bisher schnellste Computer der Welt 10.000 Jahre benötigt hätte. Ob das im Vergleich tatsächlich amtlich ist, mag strittig sein. Dass „Sycamore“ nach 200 Sekunden das Ergebnis präsentierte, gilt gleichwohl als wichtiger Durchbruch: ein „Sputnik-Moment“. Jetzt geht es darum, die Stabilität der filigranen Quantenzustände so zu verbessern, dass ein fehlerfreies gewünschtes Verhalten erzielt wird.

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Ein Quantenbit, kurz Qubit, kann anders als herkömmliche Bits gleichzeitig 0 und 1 sein. Diesen Simultanzustand nennt man Superposition. Indem mehrere Qubits miteinander verschränkt werden, vervielfachen sich diese Zustände. Ein Algorithmus ermöglicht, dass damit parallel und rasend schnell Daten verarbeitet werden können. Diese Leistung steigt mit jedem zusätzlich verschränkten Qubit exponentiell. Der aktuelle Rekord liegt mit Googles „Sycamore“ bei 53 Qubits. Allerdings beträgt dessen Fehlerrate immer noch 0,3 Prozent. Damit sind drei von tausend Rechenoperationen falsch. Zu viel – und damit bisher nicht ausreichend zuverlässig.

Ein Resultat von  Googles Forschung ist auch, dass die Quantentechnologie mit einem Mal einer breiten Öffentlichkeit bewusst wurde. Kein Medium von Relevanz, das nicht darüber berichtet hätte. So könnte eine Diskussion über den sinnvollen Einsatz, die Herausforderungen und auch mögliche Gefahren ihren Anfang nehmen. Gesichert gilt, dass Quantencomputer besonders von Nutzen sind, um riesige Datenmengen, insbesondere mit komplexen wechselnden Abhängigkeiten, zu verarbeiten. Anwendungsbeispiele sind die Steuerung von Verkehrsnetzen und Logistiksystemen. Oder die Entwicklung von Pharmazeutika, die auf individuelle Krankheitsbilder von  Patienten zugeschnitten werden. Generell könnte man ganz neue Herausforderungen und Problemlösungen in Chemie, Biologie und Physik damit angehen und beispielsweise bisher undenkbare Werkstoffe und Materialien kreieren. Ein sich anbietender Nutzen liegt in der Analyse komplexer Märkte, etwa der  Finanzwirtschaft, und auch in der Weiterentwicklung künstlicher Intelligenz durch maschinelles Lernen.

Schlüssel zur Sicherheit.

Zur hochsicheren Datenübertragung wird schon heute im kleinen Maßstab, etwa von Banken und Regierungen, Quantenkryptografie bzw. Quantenschlüsselverteilung (QKD – Quantum Key Distribution) eingesetzt. Vereinfacht gesagt, werden dabei die verschränkten Quantenobjekte, z. B. Photonen, an zwei verschiedenen Orten vermessen. Der einwandfreie Zustand bestimmter Parameter bestätigt die Sicherheit. Die Reichweite der QKD-Anwendungen mittels Glasfaser ist allerdings noch beschränkt. Der Clou des Verfahrens: Im Unterschied zur klassischen Krypto-grafie bilden keine mathematischen Prinzipien, sondern physikalische Naturgesetze die Grundlage – wie generell bei Quantentechnologien.

 

Das Potenzial zur Entschlüsselung ist die Schattenseite der Einsatzgebiete. Funktionierende Quantencomputer wären imstande, herkömmliche Verschlüsselungsverfahren problemlos „auszurechnen“. Noch ist das nicht möglich. Man geht von Computern mit mindestens mehreren tausend Qubits aus, die dafür erforderlich wären. Abgesehen davon wäre der theoretisch erforderliche Stromverbrauch absurd hoch. Sorgen macht das möglicherweise zukünftige Entschlüsseln heute langfristig angelegter kryptografischer Sicherungen – etwa von Satelliten mit ihren langjährigen Laufzeiten. Daher werden schon Lösungen einer „Postquantenkryptografie“ entwickelt, die vor hypothetischen Quantenangriffen schützen. Und das deutsche Pilotprojekt „QUBE“ verfolgt konkret das Ziel einer QKD-gesicherten Satellitenplattform.

 

Computer und Kommunikation – aber auch messtechnische Anwendungen – werden mithilfe der Quantenphysik intensiv weiterentwickelt. Die weltweit darin investierten Ressourcen sind immens. Die USA und China unternehmen hier viel. Insbesondere unter Sicherheitsaspekten ist schon jetzt ein Wettrennen (oder: Wettrüsten?) im Gang. Aber auch vielfältige Verbesserungen ganzer Technologiezweige stehen in Aussicht. Ein weites Feld zu erforschender Möglichkeiten bietet spannende Perspektiven, die es von uns allen zu verfolgen lohnt – auch wenn es  etwas kompliziert erscheint. Ein ganz großes Ding, die kleinen Elementarteilchen.

Europa gilt als weltweit führend in der Quantenphysik – mit rund 50 % aller wissenschaftlichen Publikationen und fast 40 % der Forscher in diesem Bereich. Auch Deutschland sieht sich gut aufgestellt. Die Bundesregierung hat zudem ein Rahmenprogramm mit konkreten Maßnahmen und Zielen definiert und in der laufenden Legislaturperiode 650 Millionen Euro für Forschungszwecke bereitgestellt. Ein breites Spektrum an Forschungsinstitutionen wirkt dabei mit: von der Max-Planck-Gesellschaft über die Fraunhofer-Gesellschaft und Helmholtz-Gemeinschaft bis zur Deutschen Forschungsgesellschaft und anderen. Auch strategische Partnerschaften treiben die Entwicklung voran. So kooperiert beispielsweise die Bundeswehr mit IBM beim Betrieb eines Quanten-Hubs am Forschungsinstitut Cyber Defence CODE in München.

 

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Veröffentlicht am 15.04.2020.