Für ein Quantum Sicherheit

Für ein Quantum Sicherheit
Stefan Kesselhut

Der Quantencomputer könnte ein neues Computerzeitalter einläuten. Und seine speziellen Fähigkeiten könnten bisher als sicher geltende Verschlüsselungsmethoden unbrauchbar machen.

Ist es vorstellbar, dass ein Mensch alle Bücher zu einem Thema innerhalb kürzester Zeit auf einmal lesen kann? Jeder, dem diese Frage gestellt wird, würde vermutlich sagen: auf keinen Fall. Ist es nicht auch vollkommen absurd, darüber nachzudenken? Natürlich, aber nur auf den ersten Blick.
Denn der Alles-auf-einmal-Lesende ist eine gar nicht so schlechte Metapher für die Funktionsweise einer Zukunftsmaschine, die unser Leben, unsere Wirtschaft und unsere Forschung revolutionieren könnte. Die vieles bisher Selbstverständliche nutzlos machen könnte. Etwa Verschlüsselungsmethoden, die wir heute für sicher halten.

Die Zukunftsmaschine heißt: Quantencomputer

Von Oxford bis zum Silicon Valley: Weltweit arbeiten momentan Forscher und Ingenieure im Auftrag von Unternehmen und Universitäten, von Regierungen und wahrscheinlich auch Geheimdiensten daran, Rechenmaschinen zu entwickeln, die sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze machen. Wie das genau funktioniert, ist nicht einfach zu erklären.

Wichtig ist: Quantencomputer basieren auf anderen Grundlagen als klassische Rechner. Letztere verwenden als kleinste Informationseinheit sogenannte Bits, die entweder den Zustand „eins“ oder „null“ annehmen können – ähnlich dem Zustand „an“ und „aus“ bei einem Lichtschalter. Indem mit einem Computerprozessor und seinen Abermillionen mikroskopisch kleinen Transistoren viele solcher Bits in sehr hoher Geschwindigkeit gezielt manipuliert werden, lassen sich Rechenoperationen durchführen und Informationen speichern. Egal ob Taschen- oder Superrechner: Alle herkömmlichen Computer verwenden dieses elementare Prinzip.

Doch mit dem Quantencomputer betritt ein neuer Spieler das Feld, der nicht nach diesen Regeln arbeitet, sondern nach den Regeln der Quantenmechanik.
Die bisher entwickelten experimentellen Quantencomputer funktionieren nur unter speziellen Laborbedingungen. Die Forscher sperren zum Beispiel elektrisch geladene Atome (sogenannte Ionen) in elektromagnetische Felder und erzeugen damit Qubits – kurz für Quantum Bits, analog zu den Bits im klassischen Computer. Mithilfe von energiereichen Lasern können sie die Ionen in angeregte und nicht angeregte Zustände bringen. Das entspricht zunächst im Grunde den Nullen und Einsen des gängigen Digitalrechners. Ein entscheidender Unterschied: Die Ionen können für eine gewisse Zeitspanne auch die beiden Zustände „null“ und „eins“ gleichzeitig annehmen. Die Forscher nennen diesen Effekt „Superposition“. Um mit den Qubits tatsächlich rechnen zu können, braucht man immer mehrere davon, so wie man auch in einem klassischen Computer mit nur einem einzigen Bit nicht viel anfangen kann. Und hier kommt dann ein zweiter, vielleicht noch eigentümlicherer Effekt zum Tragen: die sogenannte Verschränkung. Sie sorgt dafür, dass sich mehrere Qubits in einem Quantencomputer gleichzeitig im Zustand der Superposition befinden und somit alle möglichen Zustände zugleich darstellen können.

„Ein normaler Computer arbeitet seriell, löst Aufgaben also Schritt für Schritt. Ein Quantencomputer kann sich quasi alle möglichen Zustände auf einmal anschauen“, sagt Walter Fumy, Chief Scientist bei der Bundesdruckerei. Dank ihrer speziellen Eigenschaften könnten künftige Quantencomputer deshalb bestimmte Aufgaben um ein Vielfaches schneller bearbeiten, als es bisher mit herkömmlichen Computern möglich war. Daher passt auch die Metapher mit dem Alles-auf-einmal-Lesenden.

Der Flugzeughersteller Lockheed Martin will mit dieser Technologie schneller Fehler in der Steuerungssoftware von Kampfflugzeugen finden. Google und die NASA arbeiten gemeinsam an einem Quantencomputer, der angeblich 100 Millionen Mal schneller sein soll als ein normaler Rechner – um dann zum Beispiel Weltraummissionen zu optimieren.
Und manche träumen von etwas, was für andere ein großer Albtraum ist: bisher als sicher geltende Technologien zur Verschlüsselung auszuhebeln – auf denen etwa die Vertrauenswürdigkeit von Onlinediensten basiert. Zumindest theoretisch konnten Forscher bereits nachweisen, dass Quantencomputer ab einer bestimmten Rechenleistung dazu in der Lage wären, in kürzester Zeit gängige Verschlüsselungen zu knacken. Selbst mit den leistungsfähigsten Supercomputern von heute würde das Jahrhunderte, wenn nicht Jahrtausende dauern.

Jedoch ist es technisch extrem schwierig und damit sehr aufwändig und teuer, einen Quantencomputer zu bauen und zu betreiben. Die Bauteile sind äußerst empfindlich gegen Wärme, Stöße und Vibrationen. Sie müssen häufig mit hohem Aufwand gekühlt, die einzelnen Bausteine hermetisch von der Außenwelt abgeschirmt werden. Die industrielle Realisierung eines „universellen“ Quantencomputers halten führende Forscher frühestens in zehn bis zwanzig Jahren für denkbar.

Dennoch hat NIST, die staatliche Standardisierungsbehörde der USA, bereits einen auf fünf Jahre ausgelegten Wettbewerb für Verschlüsselungsmethoden ausgerufen, die auch Quantencomputer nicht aushebeln könnten. „Wir können die bestehende Infrastruktur nicht einfach von heute auf morgen komplett umstellen. Das muss graduell passieren. Und es wird sehr lange dauern, bis so etwas flächendeckend umgesetzt ist“, sagt auch Dr. Kim Nguyen, Geschäftsführer von D-TRUST. Google hat in seinen Browser „Chrome“ bereits neue, Quantencomputer-resistente Verschlüsselungstechnologien integriert. Der amerikanische Auslandsgeheimdienst NSA hat in einem offiziellen Dokument vor den Risiken für die IT- und Internetsicherheit gewarnt, die von Quantencomputern ausgehen. Allerdings vermuten einige Experten, dass die NSA längst selbst an einem solchen Rechner arbeitet.
Auch die Bundesdruckerei arbeitet mit daran, die digitale Welt auf eine Zukunft vorzubereiten, in der heutige Verschlüsselungen obsolet geworden sind. An dem EU-Projekt „PQCRYPTO“ ist die Bundesdruckerei neben dem Chiphersteller NXP als Industriepartner beteiligt. Das Ziel sei hier, gemeinsam mit Hochschulen neue, „quantensichere“ Verschlüsselungsstandards zu entwickeln und als internationale Normen zu etablieren, sagt Chief Scientist Fumy, der für die Bundesdruckerei auch regelmäßig bei Konferenzen und Workshops zu dem Thema Vorträge hält.

Wann genau der alles knackende Quantencomputer wirklich bereitsteht? Das vermag heute noch niemand zu sagen. „Ich glaube allerdings, es geht nicht mehr darum, grundlegende physikalische Probleme zu lösen. Sondern nur noch darum, die Systeme technisch zu verbessern“, sagt Nguyen. Und deshalb könnte die Zukunftsmaschine vielleicht schneller Realität werden, als viele bisher für möglich halten.