Quantencomputer Wie die Superrechner der Zukunft die Cybersicherheit gefährden
Fujitsu entwickelt einen solchen Quantencomputer.
Tokio Quantencomputer versprechen einen großen technologischen Sprung: Sie können aufwendigste Simulationen in Sekunden durchrechnen und so jahrelange Laborstudien zu neuen Medikamenten ersetzen, die Entwicklung Künstlicher Intelligenz (KI) entscheidend voranbringen – oder sogar das Wetter zuverlässig voraussagen.
Der japanische IT-Konzern Fujitsu entwickelt einen solchen Quantencomputer. Technologiechef Vivek Mahajan warnt im Gespräch mit dem Handelsblatt jedoch auch vor Risiken für die Cybersicherheit: Sind die Quantencomputer erst mal leistungsfähig und stabil genug, könnten sie viele gängige Verschlüsselungssysteme wohl problemlos knacken.
Auch deutsche Unternehmen sollten sich daher Gedanken über die Herausforderungen machen und zum Beispiel die Verschlüsselung ihrer Daten auf „quantensichere“ Methoden umstellen. Denn noch sind die Quantencomputer zu klein und unzuverlässig, um zur Gefahr zu werden. Doch Fujitsu-CTO Mahajan warnt: „Die Sache mit Quantencomputing ist, dass es schon in sechs Monaten oder erst in sechs Jahren so weit sein könnte.“
Künstliche Intelligenz treibt den Bedarf an Quantencomputern
Die Wahrscheinlichkeit von Durchbrüchen steigt, weil immer mehr Unternehmen intensiv an Quantencomputern forschen. Der Bedarf sei deutlich gestiegen, denn für die Digitalisierung von Wirtschaft und Leben und den KI-Boom werde „enorme Rechenleistung benötigt“, sagt Mahajan.
Quantencomputer könnten den nächsten großen Leistungssprung bringen, obwohl sie nur Lösungen berechnen, auf die auch ein normaler Computer kommen kann. Entscheidend ist die Geschwindigkeit: Selbst konventionelle Supercomputer bräuchten für die komplexen Berechnungen teils viele Jahre, Quantencomputer nur wenige Sekunden.
Fujitsus Chief Technology Officer warnt auch vor Cyberrisiken durch Quantencomputer.
Viele Verschlüsselungssysteme basieren darauf, dass ihre Algorithmen die denkbare Rechenkraft auch künftiger Computer so sehr übersteigen, dass das Knacken Hunderte Jahre dauern würde. Vereinfacht ausgedrückt: Heutige Computer brauchen zu lange, um Passwörter zu erraten, Quantencomputer könnten Tausende mögliche Passwörter gleichzeitig ausprobieren. Auch die Blockchain-Technologie wird so angreifbar.
Mehr Zustände, mehr Leistung
Herkömmliche Computerchips wurden aus immer weiter verkleinerten Schaltkreisen entwickelt und funktionieren elektronisch: Jede Recheneinheit, Bit genannt, hat entweder den Wert „0“ oder „1“, entweder den Zustand „an“ oder „aus“ – Strom fließt oder nicht. Quantencomputer dagegen rechnen auf der subatomaren Quantenebene, hier gelten andere physikalische Gesetze.
Ein Quanten-Bit, Qubit genannt, kann während der Berechnung auch beide Zustände gleichzeitig haben. Dadurch können Qubits viel komplexere Daten berechnen, die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers verdoppelt sich mit jedem Qubit und wächst damit exponentiell.
Dieses Wachstum macht den Fortschritt in der Entwicklung so unberechenbar: Findet ein Forscher das entscheidende Puzzleteil, um Qubits in großer Zahl zu verbinden, steigt die Leistung sofort sprunghaft an. Übertrifft ein Quantencomputer damit die nötige Leistung, um gängige Sicherheitssysteme zu entschlüsseln, sind theoretisch auf einen Schlag die meisten Codes der Welt geknackt.
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Wie brisant das Problem ist, zeigt gerade ein umstrittenes wissenschaftliches Papier aus China. Eine Expertengruppe hatte im Dezember behauptet, dass sie mit einem Quantencomputer RSA-Algorithmen geknackt habe, die beispielsweise für Onlinebanking und -datensicherung verwendet werden.
Sie entschlüsselten jedoch nur einen relativ kurzen Code und nutzten dazu einen kleinen Quantenrechner mit zehn Qubits. Sie hätten die Methode noch nicht auf größere Rechner übertragen, erklärten die Forscher. Dadurch ist auch noch nicht klar, ob der Quantenrechner mit ihrer Methode überhaupt schneller ist als ein herkömmlicher Computer.
Viele Experten zweifeln noch an den Aussagen. André König, Chef und Mitgründer von Global Quantum Intelligence, urteilte in einem Interview mit dem Onlinemedium „Decrypt“: „Das Papier selbst verkündet nichts wirklich Neues.“
Die chinesischen Forscher behaupteten, dass für den Sprung zum Codeknacken mit ihrer Methode nur 372 Qubits notwendig seien. Und obwohl viele Forscher von deutlich höheren Zahlen ausgehen, wird klar, dass die Entwickler von Quantencomputern diesem Sprung schon heute sehr nah kommen.
Laut Fujitsu kommt der Technologiesprung bei 10.000 Qubits
Doch wann werden die Quantencomputer die kritische Schwelle zum mächtigen Codebrecher tatsächlich überschreiten? Laut den Forschern von Fujitsu liegt dieses Ziel noch nicht ganz so nah: Für das Knacken des RSA-Verschlüsselungssystems sei ein fehlertoleranter Quantencomputer mit 10.000 Qubits notwendig.
Dies schlossen die Forscher aus einem Versuch mit dem hauseigenen Quantensimulator. Das ist ein herkömmlicher Superrechner, der 39 stabile Qubits virtuell berechnet. „Er bietet Ihnen eine fehlerfreie Umgebung, die vieles von dem simuliert, was Quantenrechner auch tun“, sagt Mahaja. „Ich denke, 70 Prozent der Probleme, die Sie mit Quantenrechnern lösen wollen, können Sie damit lösen.“
Das Knacken von Verschlüsselungsalgorithmen gehört allerdings noch zu den restlichen 30 Prozent. Zumal auch ein echter Quantencomputer mit 39 stabilen Qubits dafür 104 Tage benötigen würde – doch der existiert nicht.
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Das Problem ist nicht nur die Zahl der Qubits, sondern auch ihre kurze Lebenszeit und hohe Fehleranfälligkeit. „Wenn unsere Konkurrenten sagen, dass sie 400 oder 500 Qubits haben, aber sie alle nicht stabil sind, was nützt ihnen das?“, sagt Fujitsu-Technologiechef Mahajan. Denn es sei sehr schwer, die Recheneinheiten zuverlässiger zu machen und in großer Zahl zusammenzuschalten. Außerdem müssen die Qubits für die meisten Methoden extrem heruntergekühlt werden, nahe an den absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius.
Fujitsus arbeitet für den eigenen Quantencomputer mit dem Forschungsinstitut Riken zusammen. Hier ist auch Yasunobu Nakamura beteiligt, der als einer der Erfinder des ersten stabilen Qubits gilt. Fujitsus Rechner kommt aktuell auf 64 Qubits. Noch in diesem Jahr will Fujitsu das Modell anderen Firmen zum Ausprobieren zur Verfügung stellen. Bis 2026 will das Team das Gerät auf 1000 Qubits vergrößern.
Das Wettrennen der Großmächte
Auch geopolitisch befinden sich die Großmächte im Wettlauf darum, wer zuerst den Durchbruch bei den Quantencomputern schafft. China forscht intensiv an der Technologie, in den USA preschen Google und IBM voran und erlauben Unternehmen Zugriff auf ihre Ergebnisse der Forschung. IBM hat beispielsweise 2021 sein System Q One sowohl öffentlichkeitswirksam nach Deutschland wie nach Japan exportiert.
Europa forscht ebenfalls mit: Das deutsch-finnische Unternehmen IQM hat voriges Jahr eine Kapitalspritze von 128 Millionen Euro erhalten. Diese Woche meldete Pasqal aus Frankreich eine Investition von 100 Millionen Euro.
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Auch Japan ist ein ernst zu nehmender Rivale in dem jungen Forschungsfeld. Regierung und Industrie wollen Japans technologische Stärke nutzen, um das Land als Quantenplayer und wichtigen Lieferanten von Schlüsseltechnologien zu etablieren.
Der Inder Mahajan, der von IBM zu Fujitsu gewechselt ist, gibt seiner Wahlheimat Chancen, in dem globalen Wettrennen mitzuhalten. „Ich glaube, Japan hat gute Arbeit geleistet, indem es die Grundlagenforschung am Leben erhalten hat, nicht nur im Quantenbereich, sondern auch in der Photonik und in der Mobilnetztechnik.“
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