Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing nutzt die Quantenmechanik, um Berechnungen viel schneller durchzuführen als herkömmliche Computer.

Lernziele

Nach Lektüre dieses Artikels können Sie Folgendes:

  • Quantencomputing verstehen
  • Qubits mit Bits vergleichen
  • Potenziellen Auswirkungen einsatzfähiger Quantencomputer erläutern

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Was ist Quantencomputing?

Ein Quantencomputer nutzt die Eigenschaften der Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Quantencomputer sind bei bestimmten Arten von Berechnungen viel schneller als klassische Computer (d. h. alle heute weit verbreiteten Computergeräte wie Smartphones, Server und Desktop-Computer). Am wichtigsten ist jedoch, dass Quantencomputer in der Lage sein könnten, bestimmte extrem schwierige mathematische Aufgaben zu lösen, die klassische Computer überhaupt nicht effizient lösen können, was die derzeitigen Verschlüsselungsmethoden gefährden und sensible Daten preisgeben würde.

Stellen Sie sich vor, Sie möchten ein Kapitel in einem Buch finden. Sie blättern Seite für Seite um, bis Sie an der gewünschten Stelle angelangt sind. Nun stellen Sie sich vor, dass Sie stattdessen zuerst ins Inhaltsverzeichnis schauen und fast augenblicklich zum richtigen Kapitel blättern. Quantencomputing ist so als würden Sie ein Inhaltsverzeichnis benutzen: Es prüft alle möglichen Lösungen für eine Berechnung schnell und gleichzeitig, anstatt verschiedene Lösungen auszuprobieren, bis die richtige gefunden ist.

Technisch gesehen kann ein klassischer Computer jede Berechnung durchführen, die auch ein Quantencomputer durchführen kann – wenn er genügend Zeit hat. Aber ein klassischer Computer könnte Jahrhunderte oder Jahrtausende brauchen, um eine Aufgabe zu lösen, die ein Quantencomputer theoretisch in wenigen Minuten lösen könnte.

In der Praxis haben Forscher nur eine Handvoll Fälle hervorgebracht, in denen ein Quantencomputer eine Aufgabe schneller gelöst hat als ein klassischer Computer. Quantencomputer sind schwierig zu bauen und nach der Fertigstellung instabil. Aber wenn die Herausforderungen bei der Herstellung gelöst sind, könnte das Quantencomputing die Technik dauerhaft verändern.

Was sind Bits und Qubits?

Ein klassischer Computer speichert Informationen in einer Reihe von Bits. Ein Bit ist die kleinstmögliche Informationseinheit; sein Wert ist entweder 0 oder 1.

Ein Quantencomputer speichert Informationen in Qubits und nicht in Bits. Ein Qubit kann den Wert 0, 1 oder eine Mischung aus beiden Zuständen annehmen (der Fachbegriff für eine solche Mischung ist „Superposition“). Tatsächlich ist der Wert eines Qubits ungewiss – im Gegensatz zu einem klassischen Bit, von dem immer bekannt ist, dass es entweder 0 oder 1 ist. Der Wert eines Qubits bleibt unbestimmt, bis er gemessen wird.

Auf diese Weise kann ein Quantencomputer mehrere Zustände oder Versionen von Informationen auf einmal speichern. So kann er Lösungen für Berechnungen in einem exponentiell schnelleren Tempo verarbeiten als ein normaler Computer – so wie ein Team von Menschen, die mehrere Aufgaben gleichzeitig erledigen, ein Projekt schneller abschließen kann als eine Person, die alles alleine macht.

Stellen Sie sich ein Informationssegment als einen Globus vor. Ein Bit kann sich entweder am Nord- oder am Südpol des Globus befinden. Ein Qubit kann überall auf der Oberfläche des Globus liegen – was die Informationsmöglichkeiten, die er enthalten kann, enorm erhöht.

Auf mechanischer Ebene sind Bits und Qubits natürlich nicht wirklich Globen. Ein Bit ist ein winziger Teil eines Computers, der entweder eine elektrische Ladung (1) oder keine elektrische Ladung (0) enthält. Ein Qubit ist die unsichere, instabile Position eines Elektrons innerhalb eines Atoms.

Was sind die Herausforderungen beim Bau von Quantencomputern?

Bis heute wurden nur sehr wenige Quantencomputer gebaut. Diese Quantencomputer sind klein, instabil und außerhalb des Labors nicht zu gebrauchen.

Das liegt daran, dass das Quantencomputing eine Reihe von großen Herausforderungen überwinden muss:

Störungen durch die äußere Umgebung

Qubits sind zerbrechlich. Lärm, Vibrationen, Temperaturschwankungen und elektromagnetische Wellen können den internen Zustand eines Qubits beeinträchtigen oder zerstören. Damit Quantencomputer ordnungsgemäß funktionieren, müssen sie sich in hochgradig kontrollierten Umgebungen befinden, in denen diese und andere Arten von Störungen nicht vorkommen. Solche Umgebungen lassen sich außerhalb eines Labors nur schwer einrichten und aufrechterhalten.

Umweltfaktoren wirken sich auch auf klassische Computer aus – so können beispielsweise hohe Temperaturen oder starke magnetische Kräfte einen Computer verlangsamen oder zerstören. Aber bei Quantencomputern ist das Problem noch viel gravierender, sodass es ungewiss ist, ob sie unter realen Bedingungen funktionieren können.

(Irgendwann könnten wir den Störungen möglicherweise entgegenwirken, so wie der Lüfter eines Desktop-Computers dabei hilft, hohe Temperaturen auszugleichen).

Fehlerkorrektur

Quantencomputer sind im Allgemeinen weniger stabil als ihre klassischen Vorläufer. Das macht sie anfälliger für Fehler. Alle Computer machen Fehler. Deshalb haben klassische Computer einen eingebauten Arbeitsspeicher und Prozessor, die für die Fehlerkorrektur zuständig sind. Aber Quantencomputer müssen im Verhältnis zu ihrer Verarbeitungskapazität sehr viel mehr Ressourcen für die Fehlerkorrektur aufwenden als klassische Computer.

Temperatur

Um die Qubits stabil zu halten, müssen Quantencomputer extrem kalt gehalten werden – und zwar nur ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das macht es schwierig, sie außerhalb von streng kontrollierten Laborumgebungen zu betreiben.

Das Ergebnis dieser und anderer Herausforderungen ist, dass nur sehr wenige Quantencomputer mit mehr als einer Handvoll Qubits gebaut wurden. (Ein Quantencomputer mit 256 Qubits wurde 2021 angekündigt, und ein Unternehmen hofft, bis 2023 einen Quantencomputer mit 1.000 Qubits bauen zu können).

Wie würde sich das Quantencomputing auf die Welt auswirken?

Die Auswirkungen von Quantencomputern lassen sich nur schwer abschätzen, da noch nicht klar ist, ob Quantencomputer im großen Maßstab realisierbar sind, geschweige denn, ob eine Massenproduktion solcher Computer möglich ist. Dies steht im Gegensatz zum klassischen Computing – in den meisten Gesellschaften werden Miniaturcomputer in fast allen Bereichen des Lebens eingesetzt, und viele Menschen tragen das Äquivalent eines Supercomputers in ihrer Tasche (als Smartphone).

Leistungsstarke, stabile Quantencomputer könnten sich sehr positive auf die Gesellschaft auswirken. Aber es ist auch klar, dass solche Computer den Datenschutz und die Sicherheit auf neue Weise gefährden würden.

Mögliche positive Auswirkungen

Es gibt viele mögliche Anwendungen für Quantencomputer. Mit leistungsfähigeren Computern könnte die Finanzindustrie den Aktienmarkt genauer analysieren und vorhersagen. Klimatologen könnten Wettermuster genauer analysieren und vorhersagen. Transportsysteme könnten effizienter werden, wenn Quantencomputer den Verkehr besser vorhersagen können.

Diese Entwicklungen sind noch theoretisch. Und selbst wenn es gelänge, große, hochstabile Quantencomputer zu bauen, wären ihre Verarbeitungsergebnisse immer nur so genau wie die Daten, mit denen sie gefüttert werden. Dennoch könnte das Quantencomputing einen großen positiven Einfluss auf diese oder ähnliche Bereiche haben.

Man könnte die aktuellen Verschlüsselungsmethoden knacken

Heutzutage werden sensible Informationen oft durch Verschlüsselung geschützt. Bei der Verschlüsselung wird eine Nachricht mit einem Schlüssel verschlüsselt, sodass niemand die Nachricht lesen kann, außer jemand, der den Schlüssel besitzt. Verschlüsselung schützt persönliche Daten, die Nutzer auf Websites eingeben (über TLS); geschäftliche Daten, die auf Festplatten und in Servern gespeichert sind; vertrauliche Regierungsdaten und andere sensible Informationen.

Viele Arten der Verschlüsselung beruhen auf schwierigen mathematischen Aufgaben (z. B. Primfaktorzerlegung). Die Schwierigkeit dieser Aufgaben stellt sicher, dass die Verschlüsselung nicht innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne geknackt werden kann. Obwohl es bekannte Algorithmen zum Entschlüsseln der Verschlüsselung gibt, ist es immer möglich, größere Verschlüsselungsschlüssel zu verwenden. Für diese Aufgabe wird (für klassische Computer) exponentiell mehr Zeit benötigt, um den Schlüssel zu finden und die Verschlüsselung zu entschlüsseln.

Theoretisch können Quantencomputer die schwierigen Aufgaben lösen, die bei den derzeit eingesetzten Verschlüsselungsmethoden verwendet werden. In diesem Szenario macht ein größerer Schlüssel die Aufgabe nicht exponentiell schwieriger. Daher könnte es deutlich weniger Zeit in Anspruch nehmen, die Verschlüsselung zu knacken. So könnten Quantencomputer die meisten aktuellen Verschlüsselungsmethoden knacken und alle verschlüsselten Daten könnten preisgegeben werden.

Wie bereitet sich Cloudflare auf das Quantencomputing vor?

Cloudflare ist stark an der Entwicklung neuer quantenresistenter Verschlüsselungsmethoden beteiligt, die sensible Informationen jetzt und in Zukunft schützen werden. Dies erfolgt im Rahmen von Cloudflares größerem Engagement für die Entwicklung besserer Internetprotokolle, Verschlüsselungsstandards und eines höheren Datenschutzes.

Cloudflare wird auch weiterhin einen Beitrag in diesem Bereich leisten. Weitere Informationen finden Sie in den neuesten Blogbeiträgen zum Thema Quantencomputing und Verschlüsselung.