Brechen Quantencomputer bald die Privatsphäre im Internet?
Quantencomputer sind ein neuer Berechnungsansatz, der Prinzipien der fundamentalen Physik nutzt, um extrem komplexe Probleme sehr schnell zu lösen.
Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Quantencomputern ist die Simulation des Verhaltens der Materie bis hinunter auf die molekulare Ebene.
Ein Quantencomputer macht sich einige der fast schon mystischen Phänomene der Quantenmechanik zunutze, um enorme Sprünge in der Rechenleistung zu erzielen. Quantencomputer versprechen, selbst die leistungsfähigsten Supercomputer von heute – und morgen – zu übertreffen.
Allein das Quantencomputing – nur einer von drei Hauptbereichen der aufstrebenden Quantentechnologie – könnte bis 2035 einen Wert von fast 1,3 Billionen Dollar haben.
Sie werden herkömmliche Computer aber nicht auslöschen. Ein klassischer Rechner wird immer noch die einfachste und wirtschaftlichste Lösung für die meisten Probleme sein. Aber Quantencomputer versprechen spannende Fortschritte in verschiedenen Bereichen, von der Materialwissenschaft bis zur Pharmaforschung. Unternehmen experimentieren bereits mit ihnen, um z. B. leichtere und leistungsfähigere Batterien für Elektroautos zu entwickeln und um neue Medikamente zu entwickeln
Die Maschinen eignen sich hervorragend für Optimierungsprobleme, weil sie extrem schnell eine große Anzahl möglicher Lösungen durchgehen können. Airbus setzt sie zum Beispiel ein, um die treibstoffeffizientesten Steig- und Sinkflugrouten für Flugzeuge zu berechnen. Und Volkswagen hat einen Dienst vorgestellt, der die optimalen Routen für Busse und Taxis in Städten berechnet, um Staus zu minimieren.
Einige Forscher/innen glauben auch, dass die Maschinen dazu genutzt werden könnten, die künstliche Intelligenz zu beschleunigen. Aber in der Forschungswelt wird viel darüber diskutiert, wie bedeutend das Erreichen dieses Meilensteins sein wird. .
Lass mich versuchen, Dir das so einfach wie möglich zu erklären
In den 1990er Jahren erkannten Forscherinnen und Forscher, dass Quantencomputer die Besonderheiten der Physik nutzen können, um Aufgaben zu lösen, die für “klassische” Computer unerreichbar scheinen. Peter Shor, ein Mathematiker, der heute am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge arbeitet, zeigte 1994, wie man die Phänomene der Quantensuperposition – die die Fähigkeit von Objekten in Atomgröße beschreibt, in einer Kombination von mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren – und der Quanteninterferenz, die analog dazu ist, wie sich Wellen auf einem Teich addieren oder auslöschen können, auf das Factoring ganzer Zahlen in Primzahlen anwenden kann, d.h. die ganzen Zahlen, die nicht weiter geteilt werden können, ohne dass ein Rest übrig bleibt.
Das Geheimnis der Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers liegt in seiner Fähigkeit, Quantenbits (Qubits) zu erzeugen und zu manipulieren.
Klassisches Computing, die Technologie, die deinen Laptop und dein Smartphone antreibt, basiert auf Bits. Ein Bit ist eine Informationseinheit, die entweder eine Null oder eine Eins speichern kann.
Alles, von deinen Tweets und E-Mails bis hin zu deinen iTunes-Songs und YouTube-Videos, besteht im Wesentlichen aus einer langen Reihe dieser binären Ziffern.
Im Gegensatz dazu basiert das Quantencomputing auf Quantenbits (Qubits), die Nullen und Einsen speichern können. Qubits können jede Kombination aus Null und Eins gleichzeitig darstellen – das nennt man Superposition.
Quantencomputer, die normalerweise aus subatomaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen bestehen. Die Erzeugung und Verwaltung von Qubits ist eine wissenschaftliche und technische Herausforderung. Einige Unternehmen wie IBM, Google und Rigetti Computing verwenden supraleitende Schaltkreise, die auf Temperaturen gekühlt werden, die kälter sind als der Weltraum. Andere, wie IonQ, fangen einzelne Atome in elektromagnetischen Feldern auf einem Siliziumchip in Ultrahochvakuumkammern ein.
In beiden Fällen besteht das Ziel darin, die Qubits in einem kontrollierten Quantenzustand zu isolieren. Die größte heute verfügbare Quantenmaschine – der Osprey-Chip, der im November von IBM angekündigt wurde – hat 433 Qubits.
Qubits haben einige merkwürdige Quanteneigenschaften, die dazu führen, dass eine zusammenhängende Gruppe von Qubits viel mehr Rechenleistung erbringen kann als die gleiche Anzahl von binären Bits. Eine dieser Eigenschaften wird als Überlagerung bezeichnet, eine andere als Verschränkung.
Es könnte noch ein paar Jahre dauern, bis Quantencomputer ihr volles Potenzial erreichen. Universitäten und Unternehmen, die an ihnen arbeiten, haben mit einem Mangel an qualifizierten Forschern auf diesem Gebiet zu kämpfen – und mit einem Mangel an Lieferanten für einige Schlüsselkomponenten. Aber wenn diese exotischen neuen Rechenmaschinen halten, was sie versprechen, könnten sie ganze Branchen verändern und die weltweite Innovation ankurbeln.
Das PRVCY - Problem
Wie bei der Technologie üblich, hat diese Entwicklung auch eine politische Seite. Die meisten einkommensstarken Länder haben begonnen, unabhängig oder in öffentlich-privaten Partnerschaften in die Quantencomputerforschung zu investieren. Auch viele Länder mit mittlerem Einkommen haben Pilotprogramme zum Quantencomputing gestartet.
Und wie beim technologischen Wettlauf üblich, sind zwei Hauptkräfte im Spiel.
Vereinigte Staaten von Amerika
In den Vereinigten Staaten arbeitet die Regierung an der militärischen Quantentechnologie und hat letztes Jahr die Post-Quantum Cybersecurity Guidelines ins Gesetz aufgenommen.
Das Gesetz besteht aus zwei Hauptteilen. Der erste besagt, dass das Office of Management and Budget (OMB) die Umstellung auf Post-Quantum
Post-Quantum-Kryptografie innerhalb eines Jahres nach der Veröffentlichung der neuen Richtlinien durch das NIST. Das bedeutet, dass das OMB bis zum 5. Juli 2023 mit der Implementierung von NIST-geprüften kryptografischen Algorithmen zum Schutz der IT-Systeme in der Exekutive beginnen muss.
Im zweiten Teil muss das OMB dem Kongress einen Bericht vorlegen, in dem es seine Übergangsstrategie darlegt und bis zum 21. Dezember 2023 Mittel für den Übergang zu quantensicheren Systemen beantragt. Der Gesetzentwurf sieht außerdem vor, dass die Behörde bis zu diesem Datum ihre Bemühungen zur Koordinierung mit internationalen Normungsorganisationen und anderen Konsortien darlegt.
China
Auf der anderen Seite hat ein Forscherteam in China kürzlich eine Technik vorgestellt, die theoretisch die gängigsten Methoden zum Schutz der digitalen Privatsphäre mit Hilfe eines rudimentären Quantencomputers knacken könnte.
Das nenne ich den chinesischen Angriff, und um zu erklären, warum diese Aussage politisch ist, muss ich technisch werden:
Wenn klassische Computer ein Problem mit mehreren Variablen lösen, müssen sie jedes Mal eine neue Berechnung durchführen, wenn sich eine Variable ändert. Jede Berechnung ist ein einziger Weg zu einem einzigen Ergebnis. Quantencomputer haben jedoch einen größeren Arbeitsraum, was bedeutet, dass sie eine riesige Anzahl von Pfaden gleichzeitig untersuchen können. Diese Möglichkeit bedeutet, dass Quantencomputer viel, viel schneller sein können als klassische Computer.
Die Technik, die für die Chinesen verwendet wurde, funktionierte in einer kleinen Demonstration, berichten die Forscher/innen, aber andere Fachleute sind skeptisch, dass das Verfahren so skaliert werden könnte, dass es gewöhnliche Computer bei dieser Aufgabe schlägt. Dennoch ist es eine Erinnerung an die Anfälligkeit der Online-Privatsphäre.
Shors Algorithmus würde einen Quantencomputer exponentiell schneller als einen klassischen machen, wenn es darum geht, ein Verschlüsselungssystem zu knacken, das auf großen Primzahlen basiert – Rivest-Shamir-Adleman oder RSA, nach den Initialen seiner Erfinder – sowie einige andere beliebte Kryptografietechniken, die derzeit die Privatsphäre und Sicherheit im Internet schützen.
Forscher sagen, es könnte eine Million oder mehr Qubits brauchen, um RSA zu knacken
Shijie Wei von der Pekinger Akademie für Quanteninformationswissenschaften und seine Kollegen haben einen anderen Weg eingeschlagen, um RSA zu knacken. Sie stützen sich dabei nicht auf den Shor-Algorithmus, sondern auf den Schnorr-Algorithmus – ein Verfahren zur Faktorisierung ganzer Zahlen, das der Mathematiker Claus Schnorr an der Goethe-Universität in Frankfurt in den 1990er Jahren entwickelt hat. Schnorrs Algorithmus wurde für klassische Computer entwickelt, aber das Team von Wei hat einen Teil des Prozesses auf einem Quantencomputer implementiert und dabei ein Verfahren namens QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm) verwendet.
In der noch nicht begutachteten Arbeit behaupten die Autoren, dass ihr Algorithmus starke RSA-Schlüssel – Zahlen mit mehr als 600 Dezimalstellen – mit nur 372 Qubits knacken kann. In einer E-Mail an Nature warnte Guilu Long, Physiker an der Tsinghua Universität in China, im Namen aller Autoren, dass es nicht ausreicht, viele Qubits zu haben, und dass die derzeitigen Quantencomputer noch zu fehleranfällig sind, um eine so große Berechnung erfolgreich durchzuführen. “Einfach die Anzahl der Qubits zu erhöhen, ohne die Fehlerrate zu reduzieren, hilft nicht.
Chao-Yang Lu, ein Physiker, der an der University of Science and Technology of China in Hefei Quantencomputer baut und nicht an dem Projekt beteiligt war, sagt, dass für die Ausführung des QAOA-Algorithmus auf einer so kleinen Maschine jedes der 372 Qubits in 99,9999% der Zeit fehlerfrei arbeiten müsste. Moderne Qubits erreichen gerade mal eine Genauigkeit von 99,9 %.
Das Problem ist, dass niemand weiß, ob der QAOA das Ausrechnen großer Zahlen schneller macht als die Ausführung von Schnorrs klassischem Algorithmus auf einem Laptop. “Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Quantenbeschleunigung des Algorithmus unklar ist”, schreiben die Autoren.
Mit anderen Worten: Obwohl Shors Algorithmus die Verschlüsselung garantiert effizient knackt, wenn ein ausreichend großer Quantencomputer zur Verfügung steht, könnte die optimierungsbasierte Technik auch auf einer viel kleineren Maschine laufen, aber sie wird die Aufgabe vielleicht nie erfüllen.
Auch wenn die auf Schnorr basierende Technik das Internet nicht knacken wird, könnten Quantencomputer dies irgendwann tun, indem sie Shors Algorithmus ausführen. Aus diesem Grund hat China angekündigt, daran zu arbeiten, Computerverschlüsselungen zu knacken, und die Vereinigten Staaten haben ihr Post-Quantum Cybersecurity Law angekündigt.
Alle Länder mit einem Bruttoinlandsprodukt von über 1 Billion Dollar haben nationale Quanteninitiativen gestartet. Zu dieser Kategorie gehören China, Japan, Indien, Kanada und die USA, die die meisten Mittel in die Quantenforschung investieren. Aber auch Deutschland, Großbritannien, Frankreich, Russland, Italien, Brasilien, Australien, Südkorea, Spanien, Saudi-Arabien und die Niederlande gehören dazu (in der Reihenfolge des BIP). Brasilien und Spanien haben im letzten Jahr ihre nationalen Quanteninitiativen gestartet.
In den meisten dieser Länder gibt es auch einen dynamischen kommerziellen Sektor, der sich mit Quantenforschung beschäftigt. Die Zahl der privaten Quantencomputer-Unternehmen ist in vielen dieser Länder im Vergleich zu anderen Ländern relativ groß. In den USA gibt es 350+, in Großbritannien 100+, in Deutschland 100+, in Kanada 80+, in Frankreich 75+, in China 35+, in Japan 35+, in den Niederlanden 35+, in Indien 20+ und in Spanien 15+.
Das bedeutet, dass der Wettlauf um die besten Ergebnisse und die Angst vor den anderen Ländern begonnen hat. Vor diesem Hintergrund haben Sicherheitsforscher/innen eine Reihe von alternativen kryptografischen Systemen entwickelt, die als weniger anfällig für Quantenangriffe gelten und Post-Quantum oder Quantum-Safe genannt werden. Aber vielleicht entdecken Forscher in Zukunft auch bessere Quantenalgorithmen, die diese Systeme schlagen können.
