5 Missverständnisse bei Quantencomputern

In den Nachrichten wird viel über Quantencomputer und Quantentechnologie berichtet. Auf Social-Media-Plattformen werden die Möglichkeiten und Grenzen thematisiert. Die Aufmerksamkeit für das Thema ist enorm, die Investitionen von Unternehmen und Regierungen sind außerordentlich und die Erwartungen natürlich ebenso. Dementsprechend vielschichtig sind auch die Überschriften, die Sie in Artikeln oder Produktbeschreibungen finden:

• Quantencomputer rechnen schneller als jeder Computer zuvor¹
• So wird Quantencomputing die Zukunft der Finanzbranche verändern²
• Experte warnt: Quantencomputer können “jedes Blockchain-Sicherheitssystem untergraben”³

Einige dieser Schlagzeilen sind teilweise richtig, andere sind übertrieben. Nachfolgend werde ich versuchen, die fünf gängigsten Missverständnisse aufzugreifen und diese zu (er)klären. Auch wenn es weitere Missverständnisse gibt⁴, so werden diese Punkte meiner Meinung nach am häufigsten falsch wiedergegeben.

1. Quantencomputer sind schneller als normale Computer

Die Geschichte geht normalerweise so: normale Computer verwenden Bits, die nur 0 oder 1 darstellen können. Quantencomputer hingegen verwenden Qubits, welche zwei interessante Eigenschaften haben:

• Die erste ist die Überlagerung, auch bekannt als Superposition, die es den Qubits ermöglicht, sich gleichzeitig im Zustand 0 und 1 zu befinden.
• Der zweite Effekt ist, dass Qubits verschränkt werden und sich gegenseitig beeinflussen können. Diesen Effekt nennt man auch Entanglement.

Diese verschränkten Qubits in einem Überlagerungszustand können (vereinfacht erklärt) alle Eingabemöglichkeiten gleichzeitig berechnen und verhalten sich daher wie ein klassischer Computer mit unendlich vielen Prozessoren.

Soweit die allgemeine Erklärung, welche aber einen wichtigen Punkt ignoriert: Quantencomputer können aufgrund ihrer Physik nicht beim ersten Rechendurchlauf ein fertiges Ergebnis liefern. Berechnungen müssen häufiger – oft viele tausende Mal – durchgeführt werden, bevor ein gesichertes Ergebnis vorliegt. Es kann also durchaus vorkommen, dass ein Quantencomputer an sich ein Problem schneller lösen kann, die notwendigen Berechnungsdurchläufe in Summe aber mehr Zeit beanspruchen.

Der Vorteil von Quantencomputern liegt nicht unbedingt darin, schneller als “normale” Computer zu sein. Der Vorteil liegt darin, Probleme überhaupt lösen zu können. Und das bringt uns gleich zum nächsten Punkt.

2. Quantencomputer werden klassische Computer ersetzen

Ein Quantencomputer kann bestimmte Probleme viel schneller als ein normaler Computer lösen. Quantencomputer können Lösungen ermitteln, für die klassische Computer, wie sie zu Hause oder auch in Rechenzentren stehen, nicht geeignet sind. Dazu teilt die Informatik Probleme in unterschiedliche Komplexitätsklassen ein.

Komplexitätsklassen beschreiben im Grunde, wie schwer ein Problem zu lösen ist. Die unter Informatikern wohl bekanntesten Klassen sind wohl die P und die NP (es gibt natürlich viele mehr, aber die Details spare ich hier aus). Die Komplexitätsklasse P steht dabei für Probleme, die relativ einfach durch Programme gelöst werden können. Komplexitätsklasse NP beinhaltet Probleme, welche man nicht in endlicher Zeit deterministisch lösen kann. Hier muss man verschiedene Möglichkeiten testen und verifizieren, um ein gültiges Ergebnis zu finden. Im Grunde durch Versuch und Irrtum.

Aufgaben aus der Klasse P können hervorragend mit herkömmlichen Computern gelöst werden. Das sind zum Beispiel Aufgaben wie eine E-Mail zu schreiben, im Internet zu surfen, Wordle zu spielen oder auch ein Model einer AI zu trainieren.

An Problemen aus der Klasse NP scheitern aktuelle Computer, da hier der Rechenaufwand schnell die vorhandenen Rechenkapazitäten überschreitet. Dank der Qubits können Quantencomputer bspw. das Problem des Handlungsreisenden⁵ oder das Problem, einen Rucksack zu packen⁶, lösen, an denen sich klassische Computer immer die Zähne ausgebissen haben. Quantencomputer sind daher eher eine Ergänzung als ein Ersatz von klassischen Computern.

3. Die Quantentechnologie ist derzeit lediglich Theorie

Die Quantentechnologie ist nicht länger nur graue Theorie oder reine Science Fiction. Viele Unternehmen bieten bereits Zugang zu ihren verschiedenen Quantencomputern an, darunter auch viele Bekannte wie z. B. IBM, Amazon, Rigetti, D-Wave etc.

Da die derzeit verfügbaren Quantencomputer immer noch technisch sehr aufwendig und in Anschaffung wie auch Betrieb sehr teuer sind, werden sie meist in Clouds verwendet. Ausführungen wie von IBM stellen bereits 127 Qubits für Berechnungen zur Verfügung. Kostenlos sind nach Registrierung Systeme mit bis zu 7 Qubits, die für einfache Experimente und erste Schritte ausreichen.

Neben den Systemen wie von IBM, welche auch als universelle Quantencomputer bezeichnet werden, weil sie dank freier Programmierung beliebige Probleme lösen können, gibt es noch Quantencomputer, die den Ansatz von Quantum Annealing verwenden.

Diese Computer sind für das Lösen von Optimierungsproblemen geeignet und finden aktuell Einsatz im Finanzbereich, der Produktion, der Logistik oder auch Pharmaindustrie. Statt hier ein Programm vorzugeben, das abgearbeitet wird, werden bei Quantum Annealing die Probleme in mathematischen Formeln beschrieben, für die anschließend Lösungen ermittelt werden. Im Unterschied zu klassischen Computern werden nicht alle Möglichkeiten nacheinander ausprobiert, sondern alle “gleichzeitig”. Dadurch können Lösungen viel schneller gefunden werden.

Kleine Brüder von den großen Quantencomputern gibt es sogar für zu Hause. SpinQ bietet kleine Varianten in der Größe eines herkömmlichen Desktoprechners zum Kauf an. Diese haben aktuell zwar nur 2 bzw. 3 Qubits, aber es ist ein erster Schritt.

4. Quantencomputer werden das Internet zerstören

Das Internet, wie wir es kennen, setzt größtenteils auf Verschlüsselung. Jeder Aufruf einer Webseite, jede Überweisung im Online-Banking oder selbst das Versenden von Chat-Nachrichten nutzt Verschlüsselung. Die aktuellen Verschlüsselungsstandards beruhen auf einer simplen Tatsache: es ist einfach, zwei Zahlen zu multiplizieren, aber sehr, sehr schwierig, eine große Zahl in ihre Primfaktoren zu zerlegen.

Ein Beispiel: stellen Sie sich die Primzahlen 3 und 5 vor, die das Ergebnis 15 ergeben. 15 lässt sich in Ihrem Kopf leicht in 3 und 5 zurückverwandeln. Versuchen Sie es nun mit 143. Die Primfaktoren sind 11 und 13. Bei der Verschlüsselung werden normalerweise Zahlen mit 256 Bit verwendet, was eine Zahl mit 78 Ziffern ist. Das ist nicht einmal für einen Menschen schwer, sondern auch für heutige Computer.

Prof. Peter Shor hat jedoch einen Algorithmus entwickelt⁷, mit dem sich eine Zahl in zwei Faktoren zerlegt lässt, was klassische Computer nicht sehr gut können, wozu Quantencomputer aber evtl. zukünftig in der Lage sein werden. Dennoch gibt es zwei Gründe, warum aktuell wohl keine große Gefahr besteht:

1. Shor’s Algorithmus würde abhängig vom Verschlüsselungsalgorithmus tausende, möglicherweise sogar Millionen von Qubits benötigen. Der bisher größte Quantencomputer hat 127 Qubits. IBM hat zwar eine Roadmap vorgestellt, welche eine Quantum Processing Unit (QPU) mit über 4000 Qubits bis Ende 2025 vorstellt⁸, aber Experten betrachten selbst dies nicht als Gefahr.
2. Das National Institute of Standards der USA – NIST – hat einen Post Quantum Cryptographie (PQC) Wettbewerb ausgerufen, bei dem Kryptografiealgorithmen gesucht werden, die sicher vor Quantencomputern sind.⁹ PQC soll die bisher verwendeten Verschlüsselungen Schritt für Schritt ersetzen und so die Kommunikation sicher halten. Das klingt gut, allerdings dürfte die Auswahl eines Finalisten des Wettbewerbs und die Implementierung neuer Algorithmen in aktuelle Programme und Betriebssysteme noch viele Jahre dauern.

Es handelt sich also um einen Wettlauf mit der Zeit. Was passiert zuerst? Gibt es einen Quantencomputer, der groß genug ist, um aktuelle Verschlüsselungen zu knacken, oder wird ein neuer Algorithmus zur Verfügung stehen, der sicher vor Quantencomputern ist?

Hier sind die Einschätzungen, wann die bisherigen Algorithmen obsolet werden, sehr unterschiedlich. Der Zeitpunkt wird als Y2Q, kurz für Year-to-Quantum (angelehnt an Y2K, die Angst vor dem Jahreswechsel auf 2000), bezeichnet. Die Cloud Security Alliance zeigt eine Y2Q-Uhr¹⁰, die diesen Zeitpunkt für 2030 andeutet, aber man sollte es nicht so genau nehmen, denn der reale Fortschritt macht eine genaue Schätzung sehr schwer.

5. Quantencomputer sind das einzige Anwendungsgebiet der Quantentechnologie

Quantentechnologie ist zwar die Basis von Quantencomputer, aber Quantencomputer sind nicht das einzige Anwendungsgebiet dieser Technologie. Aktuell handelt es sich um das Thema mit dem größten Interesse, aber es ist nicht das einzige Anwendungsgebiet. Quantentechnologie kann in vielen Bereichen zu großen Fortschritten beitragen.

Beispiel: Zufallszahlengenerierung

Zufallszahlen werden in vielen Bereichen der Information verwendet. Z. B. bei der Verschlüsselung im Internet, beim Lotto, beim Trainieren einer AI oder auch für Berechnungen, welche Zufallszahlen benötigen (bspw. beim Monte-Carlo-Verfahren).

Klassische Computer sind aber deterministisch und daher ziemlich schlecht im Erstellen von “echten” Zufallszahlen. Diese verwenden hier oft Pseudozufallszahlengeneratoren (PRNG), die nur auf den ersten Blick Zufallszahlen liefern.

Quantentechnologie ist sehr gut im Erzeugen von Zufallszahlen, da die Zufälligkeit quasi eingebaut ist. Es kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz und die können tatsächliche Zufallszahlen in ausreichender Menge und Qualität liefern. Quantenbasierte Zufallszahlengeneratoren (QRNG) sind bereits allgemein verfügbar. Sie können bspw. die Zufallszahlen von der Universität in Canberra, Australien¹¹ für Experimente oder auch Hardware von ID Quantique¹² verwenden, die einen Generator zum Einbau anbietet.

Beispiel: Quantenkommunikation

Quantenkommunikation bedient sich grundlegender Eigenschaften von Quanten: Der Zustand eines Quantums lässt sich einmal auslesen, danach ist das Quantum “zerstört”. Wird ein Quantum übertragen und es liest jemand dieses Quantum auf dem Weg zum Ziel aus, dann ist es für den ursprünglich gedachten Empfänger nicht mehr lesbar. Folglich lässt sich erkennen, ob die Übertragung abgehört wurde oder nicht. Diese Möglichkeit bietet “herkömmliche” Kommunikation über das Internet nicht.

Dies macht sich z.B. die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution oder kurz QKD) zunutze. Dieses Verfahren verwendet die technischen Grundlagen der Quantenkommunikation zur sicheren Übertragung von Schlüsseln (z. B. von einem QRNG), welche dann zur späteren Verschlüsselung verwendet werden. D.h. die Schlüssel, die zur eigentlichen Übertragung verwendet werden, werden bereits abgesichert übertragen. Dadurch schafft man gemeinsam mit neuen Algorithmen die Grundlage für ein sicheres Internet.

Beispiel: Quantensensorik

Quantensensorik beschreibt die Nutzung eines Quantenphänomenen zur Messung einer physikalischen Größe. Hier werden unterschiedlichste Eigenschaften verwendet, bei den eine kleinste Veränderung einer bestimmten Messgröße (z. B. Gravitation) festgestellt werden kann.

Im März 2022 haben Wissenschaftler einen Prototyp vorgestellt¹³, der kleinste Veränderungen der Erdanziehung messen kann. Die Veränderungen können durch Tunnel, Rohrleitungen oder Ruinen entstehen ,und das Gerät hilft dabei, Hohlräume zu finden, ohne dafür eine Straße aufreißen zu müssen.

Die Genauigkeit von Quantensensorik kann auch helfen, wenn es um den menschlichen Körper geht. Quantensensorik könnte Neuroimaging  – die Vermessung des Nervensystems eines Menschen – massiv verbessern oder auch vielleicht sogar in ferner Zukunft zu einem Gehirn-Computer-Interface werden. Damit könnten sich z. B. Prothesen besser oder genauer steuern als durch Messungen mittels Elektroden, wie es Neuralink¹⁴ demonstriert hat. In Zukunft funktioniert das Ganze vielleicht sogar ohne medizinischen Eingriff.

Fazit

Google hat schon vor Jahren behauptet, dass Quantencomputer bereits angekommen sind, als es die Quantenüberlegenheit mit einer 57-Qubit-Maschine ankündigte.¹⁵ Dies hat sich jedoch als “falsch” oder als übertrieben erwiesen, da es sich um einen speziellen Anwendungsfall handelte, der auch auf einem klassischen Computer berechnet werden kann. Viele Branchenkenner sind immer noch optimistisch, dass Quantencomputer bald kommen werden, manche sagen in 5 Jahren, manche aber erst in 10 Jahren oder manche sagen sogar nie.

Aber selbst wenn wir die notwendige Stabilität und Leistungsfähigkeit von Quantencomputern nicht so schnell erreichen, sind die mit aktuellen Quantencomputern und der Forschung gewonnenen Erkenntnisse nützlich (z. B. quanteninspirierte Algorithmen oder konkrete Optimierungen durch Quantencomputer) und auch Anwendungen außerhalb von Quantencomputer wie Quantenkommunikation, Quantenschlüsselverteilung oder auch Quantensensorik bereits kommerziell im Einsatz.

Es ist also sicherlich kein Fehler, sich die grundlegendsten Kenntnisse anzueignen. Zumindest können Sie so zwischen Hype und Realität unterscheiden und evtl. Missverständnisse gut (er)klären. 😉

Hinweise:

Wenn Sie sich für weitere Informationen und Perspektiven zu Cloud-Technologien, Blockchain oder Quantum Computing interessieren, dann lohnt sich mit Sicherheit ein Blick auf den Blog von Gottfried Szing: https://kjoo.be.

[1] Quantencomputer rechnen schneller als jeder Computer zuvor
[2] So wird Quantencomputing die Zukunft der Finanzbranche verändern
[3] Experte warnt: Quantencomputer können “jedes Blockchain-Sicherheitssystem untergraben”
[4] Common misconceptions about quantum technology and computers
[5] Problem des Handlungsreisenden
[6] Rucksackproblem
[7] The Story of Shor’s Algorithm, Straight From the Source
[8] IBM Quantum Roadmap
[9] Post-Quantum Cryptography
[10] Countdown to Y2Q
[11] ANU QRNG
[12] Random Number Generation
[13] New Quantum Sensor Sees Beneath the Beneath
[14] Neuralink: Interfacing with the Brain
[15] Quantum Supremacy

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