Quantencomputer – Funktionsweise und Folgen für Cybersicherheit
Quantencomputer zählen zu den bedeutendsten Errungenschaften der modernen Wissenschaft und könnten viele Bereiche revolutionieren – darunter die Cybersicherheit. Was unterscheidet einen Quantencomputer von einem herkömmlichen Computer? Welchen Einfluss werden Quantencomputer auf heutige Hardware- und Cybersicherheitsmaßnahmen haben? Können herkömmliche Schutzsysteme ihnen standhalten? Und gibt es Quantencomputer überhaupt? Betrachten wir das Thema genauer und untersuchen wir, wie diese Systeme funktionieren.
Quantencomputer – was sind sie und wie funktionieren sie?
Quantencomputer unterscheiden sich grundlegend von herkömmlichen Computern. Sehen wir uns an, worin der Unterschied besteht. Herkömmliche Computer verarbeiten Daten als Bits, die nur einen von zwei Zuständen annehmen: 0 oder 1. Quantencomputer nutzen dagegen Qubits (Quantum Bits), die anderen Prinzipien folgen. Ein Qubit kann sich in einer quantenmechanischen Überlagerung befinden; sein Zustand wird dann als Kombination der Grundzustände 0 und 1 mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeitsamplituden beschrieben. Das bedeutet nicht, dass ein Qubit buchstäblich gleichzeitig null und eins ist, sondern bezeichnet ein physikalisches Phänomen ohne klassisches Gegenstück. Bei einer Messung ergibt sich stets 0 oder 1; vor der Messung kann der Zustand jedoch eine Überlagerung dieser Werte sein. Daraus entstehen besondere Rechenmöglichkeiten. Auch die Konstruktion ist außergewöhnlich: Damit Qubits stabil arbeiten, muss das System auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden. Sie fragen sich vielleicht, wie ein Quantencomputer aussieht. Er ähnelt eher einem futuristischen Labor als einem Computer auf dem Schreibtisch und benötigt entsprechend viel Platz.
Gibt es bereits einen Quantencomputer?
Ja, Quantencomputer existieren bereits, und Quantencomputing ist zu einem wichtigen Forschungsfeld geworden. Ein früher Quantencomputer, im Vergleich zu heutigen Systemen noch sehr einfach, wurde 1998 von Forschern der Universität Oxford, des MIT und der Stanford University entwickelt. Das experimentelle Modell nutzte die sogenannte Kernspinresonanz (NMR) zur Manipulation quantenmechanischer Zustände von Molekülen in Flüssigkeiten. In der Praxis konnte das System nur wenige Qubits verarbeiten. Wissenschaft und Technik haben seitdem große Fortschritte gemacht; dennoch befinden sich Quantencomputer bis heute überwiegend in der experimentellen Phase und werden für Forschung und Tests eingesetzt.
Unternehmen wie Google, IBM und Microsoft sowie Staaten wie China investieren intensiv in diese Technik. Im Jahr 2019 gab beispielsweise Google bekannt, dass der Quantencomputer Sycamore Berechnungen ausgeführt habe, die auf klassischen Computern nicht in vertretbarer Zeit möglich seien. China investiert ebenfalls intensiv in die Entwicklung eigener Quantencomputer. IBM entwickelt das Q System One, das über eine Cloud-Plattform zugänglich ist. Damit ist die Frage, ob Quantencomputer existieren, beantwortet. Für durchschnittliche Nutzer sind solche Systeme allerdings noch nicht unmittelbar verfügbar. Die Möglichkeiten von Quantencomputern sind derzeit auf spezielle Aufgaben beschränkt, und der Betrieb erfordert extreme Bedingungen, etwa eine Kühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt. Die Technik entwickelt sich jedoch schnell und könnte in den kommenden Jahrzehnten größere Verbreitung finden. Wie fällt heute der Vergleich zwischen Quantencomputer und herkömmlichem Computer aus? Während Laptops alltägliche Aufgaben und komplexe Berechnungen in Wissenschaft und Industrie bewältigen, eignet sich ein Quantencomputer derzeit nur für stark spezialisierte Aufgaben, etwa Optimierung, Analyse großer Datensätze, Wirkstoffentwicklung oder Vorhersage chemischer Reaktionen.
Quantencomputer – wann kommt er nach Europa?
Medien berichteten außerdem über einen geplanten Quantencomputer in Polen. Im Jahr 2025 sollte in Poznań das erste System dieser Art in Europa entstehen und Wissenschaft, Industrie sowie den öffentlichen Sektor unterstützen. Der polnische Quantencomputer sollte unter anderem fortgeschrittene Forschung in Quantenchemie, Physik und Biotechnologie ermöglichen. Damit wären Simulationen und Analysen möglich, die außerhalb der Reichweite herkömmlicher Supercomputer liegen.
Wie viel kostet ein Quantencomputer?
Der Preis eines Quantencomputers hängt von Leistung, Einsatzzweck und Hersteller ab. Derzeit ist die Technik äußerst kostspielig und vor allem Regierungen, Forschungseinrichtungen und großen Technologieunternehmen vorbehalten. Wo können Sie einen Quantencomputer kaufen? Quantencomputer sind vorerst nur für große Unternehmen und Forschungseinrichtungen verfügbar. Einen Anhaltspunkt dafür, wie viel ein Quantencomputer kostet, liefert das IBM Quantum System One. Es zählt zu den bekannteren Quantencomputern, wird als Dienst (Quantum as a Service) angeboten, und die Zugangskosten beginnen bei zwei bis drei Millionen Dollar pro Nutzungsjahr. Das kanadische Unternehmen D-Wave, das spezialisierte Quantencomputer herstellt, bietet Modelle ab 10 bis 15 Millionen Dollar pro Gerät an.
Warum ist der IBM-Preis für einen Quantencomputer so hoch? Die Kosten ergeben sich aus der komplexen Infrastruktur und daraus, wie Quantencomputer arbeiten. Sie benötigen spezielle Kühlsysteme für Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt; auch die Wartung erfordert Fachpersonal und besondere Hilfssysteme. Ein Quantencomputer für Spiele bleibt daher vorerst außer Reichweite. Auch wenn die Preise mit der technischen Entwicklung sinken, werden Quantencomputer in naher Zukunft vor allem in der Forschung und in anspruchsvollen Industrieprojekten eingesetzt.
Quantencomputer und Cybersicherheit
Nachdem wir geklärt haben, was ein Quantencomputer ist, können wir ihren Einfluss auf heutige Hardware- und Cybersicherheitsmaßnahmen betrachten. Wer versteht, wie Quantencomputer funktionieren, fragt sich möglicherweise, ob künftig noch Bedarf an Geräten besteht, die uns vor Hackern schützen. Können herkömmliche Schutzsysteme Quantencomputern standhalten, wenn der schnellste Quantencomputer Berechnungen, für die ein Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde, in etwas mehr als 2 Minuten ausführen kann? Heutige Systeme sind auf eine solche Rechenleistung nicht ausgelegt. Das Funktionsprinzip von Quantencomputern beruht unter anderem auf ihrer besonderen Fähigkeit, mehrdimensionale Daten zu verarbeiten. Der Shor-Algorithmus kann Zahlen exponentiell schneller in Primfaktoren zerlegen als klassische Verfahren. Dadurch geraten verbreitete asymmetrische Verschlüsselungsverfahren wie RSA oder ECC (Elliptische Kurven-Kryptographie), deren Sicherheit auf schwer lösbaren mathematischen Problemen beruht, unter Druck. Quantencomputer könnten bestimmte Probleme mithilfe des Shor-Algorithmus erheblich schneller lösen als klassische Computer und dadurch Verschlüsselungsverfahren brechen. Davon könnten moderne Protokolle wie HTTPS oder VPN betroffen sein. Dies könnte auch das Ende herkömmlicher Public-Key-Verfahren bedeuten (auf asymmetrischen Schlüsseln beruhende Technologien müssten ersetzt werden).
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Quantencomputer – was bedeuten sie für heutige Sicherheitssysteme?
Fachleute empfehlen, herkömmliche Verschlüsselungsverfahren durch sogenannte Post-Quantum-Algorithmen zu ersetzen, die Angriffen mit Quantencomputern widerstehen sollen. Eine wichtige Rolle spielt auch die symmetrische Verschlüsselung: Algorithmen wie AES-256 gelten gegenüber Quantenangriffen als widerstandsfähiger, sofern ausreichend lange Schlüssel eingesetzt werden. Neben den Bedrohungen können Quantencomputer auch die Cybersicherheit stärken. Bereits heute wird an Quantenkryptografie geforscht, darunter an Verfahren wie der Quantenschlüsselverteilung (QKD), die grundlegende Gesetze der Quantenphysik für die Schlüsselübertragung nutzt. Ein weiteres Einsatzfeld ist die fortgeschrittene Bedrohungsanalyse. Quantencomputer könnten große Datenmengen schneller analysieren, Bedrohungen erkennen und die Reaktion auf Cyberangriffe unterstützen.
Organisationen sollten deshalb frühzeitig Post-Quantum-Strategien umsetzen. Institutionen wie das NIST (National Institute of Standards and Technology) arbeiten bereits an der Standardisierung von Verschlüsselungsalgorithmen, die Angriffen durch Quantencomputer standhalten sollen. Welche Zukunft haben die heute vertrauten Schutzmaßnahmen? Wahrscheinlich werden herkömmliche Systeme nach und nach durch Lösungen ersetzt, die widerstandsfähiger gegen Quantenangriffe sind. Ob quantenbasierte Verfahren wie QKD zum Standard im Datenschutz werden, bleibt abzuwarten.
Quantencomputer – Wissenswertes aus aller Welt
Am 15. Oktober 2024 fand unter der Schirmherrschaft des polnischen Verteidigungsministers die Konferenz CyberEXPERT statt. Im Mittelpunkt standen Quantencomputing und KI, zwei wegweisende Technologien unserer Zeit. Diskutiert wurde unter anderem die Zukunft des digitalen Identitätsmanagements und ein möglicher Übergang von klassischen Anmeldedaten zu Blockchain-basierten oder selbstbestimmten Identitäten. Quantencomputer können außerdem chemische Prozesse simulieren und damit die Entwicklung neuer Medikamente oder fortschrittlicher Materialien unterstützen.
Die Fähigkeiten und möglichen Einsatzbereiche von Quantencomputern verändern die Rahmenbedingungen der Cybersicherheit grundlegend und stellen etablierte Schutzsysteme infrage. Langfristig werden klassische Verfahren angepasst oder ersetzt werden müssen. Fortschritte bei Post-Quantum-Technologien eröffnen zugleich die Chance auf widerstandsfähigere Lösungen. Der Entwicklung stehen derzeit jedoch hohe Implementierungskosten und erhebliche technische Herausforderungen entgegen.