Quanten sollen Rechner besser und schneller machen, doch abhörsichere Datenverschlüsselung bleibt ein frommer Wunsch.
Superschnell, so präzise wie noch nie und sicherer verschlüsselt als bisherige Systeme: Das sind die Hoffnungen an den Quantencomputer. Doch bringt er wirklich einen solch massiven Technologiesprung? Welche Risiken sind damit verbunden? Fragen wie diesen gingen Expertinnen und Experten bei einer Diskussion der Reihe "Wissen schafft Diskurs" der "Wiener Zeitung" und des Postgraduate Center der Universität Wien nach.
Über viele Jahre beruhten die Fortschritte immer neuer Generationen von Computern vor allem auf der Miniaturisierung von Halbleitertechnologie. Diese Methode stößt inzwischen allerdings an physikalische Grenzen, was die Suche nach neuen Hardware-Paradigmen beflügelt. Quantencomputing, also das Ausnützen von Effekten der Quantenphysik für Computer, bietet eine Alternative. An ihrer Realisierung arbeiten zahlreiche interdisziplinäre Forschungsteams und große globale Konzerne.
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Grob umrissen kann man sagen, klassische Computer funktionieren linear - sie absolvieren einen Rechnungsschritt nach dem anderen. Quantencomputer funktionieren im Vergleich dazu strahlenförmig - sie rechnen in alle Richtungen und gleichzeitig. "Es gibt Dinge, die wir im Alltag nicht gewöhnt sind: Dieser Raum hat zwei Türen und wir können ihn durch nur eine verlassen", erklärte Beatrix Hiesmayr, Leiterin der Arbeitsgruppe Quantenpartikel in der Fakultät für Physik der Universität Wien: "Quanten können hingegen durch beide Türen zugleich gehen. Diese Eigenschaft nützen wir für Quantencomputing. Wir haben in zigtausenden Experimenten gesehen, dass diese Phänomene auftreten und können sie zwar nicht erklären, aber rechnen können wir gut damit."
Quantencomputer kalkulieren Dinge also anders als klassische Rechner. "Während ein normales Bit genau einen Wert hat - null oder eins -, können Quantenbits viele Werte haben, wodurch man in einzelnen Schritten hochdimensionalere Daten manipulieren kann", sagte Frank Leymann vom Institut für Architektur von Anwendungssystemen der Universität Stuttgart.
Linear oder strahlenförmig?
Seit der Wiener Quantenphysiker Anton Zeilinger im Jahr 2008 die erste Quantenverschränkung zwischen zwei durch den Donaukanal getrennten Teilchen-Systemen vorgestellt hat, hat sich viel getan. Im Grunde könne man den Fortschritt mit jenem beim Transistor beschreiben, der erstmals 1957 vorgestellt wurde, meinte Helmut Leopold vom Austrian Institute of Technology (AIT). "Wenn man bedenkt, dass heute in einem modernen Prozessor bis zu einer Milliarde winzige Transistoren arbeiten, ist das eine unfassbare Menge. Eine ähnliche Entwicklung nimmt die Quanten-Verschränkung jetzt in elektronischen Elementen", erklärte Leopold, Leiter des Center for Digital Safety & Security am AIT, wo diese Systeme mit Photonen und Spiegeln im Mikrometerbereich in Chips integriert werden. Zusammen mit Informatikern, Maschinenbauern, Computerwissenschaftern, Physikern und Elektrotechnikern würden in Wien diese Prototypen gebaut.
Doch was konkret sollen diese Maschinen tun? Geht es um speziell komplexe Rechenleistungen, an denen klassische Computer scheitern, oder soll das Handy, das heute mit winzigen Transistoren arbeitet, künftig auf Quanten-Basis funktionieren?
Systeme arbeiten zusammen
"Es gibt gewisse Aufgaben, die man mit Quantencomputern besser lösen kann, aber um E-Mails zu versenden werden wir sie nicht brauchen, das können unsere klassischen Computer toll", stellte Hiesmayr klar. Es sei also kein Gegensatz, sondern eine Zusammenarbeit der beiden Systeme zu erwarten, denn "summa summarum ist es uns letztlich auch egal, wie ein Problem gelöst wird, solange es gelöst wird".
Zu den komplexen Problemen, die Quantencomputer gut lösen, zählen etwa Wegberechnungen bei logistischen Systemen zur Warenlieferung oder die Zusammensetzung von Molekülen für Medikamente. "Auch beim maschinellen Lernen liefern Quantencomputer Ergebnisse von einer Präzision und Geschwindigkeit, die ein klassischer Computer nicht bietet", fügte Leymann hinzu, räumte jedoch zugleich ein: "Heute sind klassische Hochleistungsrechner natürlich viel mächtiger, und es gibt immer Verbindungen zwischen ihnen und klassischen Rechnern. Ein toller Quanten-Algorithmus zum Sortieren macht ja noch lange kein SAP-System."
Tech-Konzerne liefern sich ein Wettrennen um die Entwicklung überlegener Quantencomputer. Der IBM-Konzern etwa hat einen Prozessor präsentiert, dessen Leistungsdaten als großer Fortschritt gelten. Nico Einsidler, "Quantum Ambassador" beim Technologiekonzern IBM, nannte Kenngrößen: Die Zahl und die Qualität der Quantenbits würden die Rechengeschwindigkeit beeinflussen. "Wir bauen diese Systeme und die Software dazu, die Open Source ist, damit die Community Zugang hat", sagte Einsiedler, womit er auch die gegenwärtige Stimmung des Fachgebiets beschreibt: Quantencomputer werden derzeit weniger produktiv als für ihre eigene Weiterentwicklung genutzt.
In Grunde würde die Technologie im Zuge des Forschungsprozesses weiterentwickelt, ähnlich wie man vor mehr als 100 Jahren das Auto auf die Straße brachte und aus dieser Praxis nach und nach verbesserte, zog Helmut Leopold einen weiteren historischen Vergleich: "Wir gestalten die Technik im Zuge der Entwicklung."
Künftig sollen im Bereich Quantencomputing zahlreiche Arbeitsplätze entstehen, jedoch ist auch mit Auswirkungen zu rechnen. Denn die Quantenkryptografie kreiert zwar hochsichere Schlüssel für Informationen und solange diese Schlüssel nicht bekannt sind, können sie selbst von versierten Hackern nicht geknackt werden. "Die Frage ist nur, wo man denn diesen Schlüssel dann versteckt", meinte Hiesmayr: "Wer ihn findet, könnte derzeitige und künftige Verschlüsselungssysteme zum Datenschutz aushebeln." Um die Bedrohung abzuwenden, gebe es eine europäische Initiative zur Daten-Souveränität, sagte Leopold, nachdem Leymann gewarnt hatte, dass es schon heute Gruppen gebe, die nach dem Motto "Steal now, decrypt later" (Stehle jetzt, entschlüssle später) verschlüsselte Daten sammeln, um sie in Zukunft knacken und verkaufen zu können. "Dadurch könnten Dinge öffentlich werden, die wir gar nicht offenlegen wollen. Für mich ist das einer der Albträume des Quantencomputers", sagte der Informatiker. Allerdings würde auch der Mensch eine Fehlerquelle darstellen, ganz unabhängig vom Verschlüsselungssystem.
Zu den Träumen der neuen Technologie zählt auf der anderen Seite ein geringerer Stromverbrauch, zumal die Zeit für die Berechnung auf einen Bruchteil sinkt. Leymann zufolge könnten Quantenrechner mit vergleichsweise wenig Energie arbeiten. "Firmen entwickeln Quantencomputer, die bei Raumtemperatur arbeiten", sagte er. Der Trend führe weg von Metallen, wie Kupfer und Silicium, für Prozessoren, die zu extremen Hitzen hochlaufen und riesige Kühlsysteme benötigen, hin zu Elementarteilchen, die ihre Arbeit selbst bei Höchstanforderungen cool nehmen.