Quantencomputer 101

Wir erklären Quantencomputer anhand von Katzen und Glühbirnen.

Im vergangenen Herbst meldete Google erstmals, dass dem Unternehmen die Quantenüberlegenheit gelungen sei. Wenn das ein wenig zu abstrakt für Sie klingt und Sie der Meinung sind, dass dies für den Durchschnittsbenutzer alles andere als relevant ist, sollten Sie eventuell noch einmal darüber nachdenken. Im Grunde genommen hat das Team von Google es geschafft, mithilfe eines Quantencomputers ein Problem zu lösen, das selbst den sportlichsten Supercomputer durcheinandergebracht hätte. Beeindruckend, oder etwa nicht?

Darüber hinaus hat der Stand des Quantencomputers einen direkten Einfluss auf die Sicherheit Ihrer Daten. Schließlich basieren viele Schutzmethoden der digitalen Welt nicht darauf, dass sie nicht geknackt werden können, sondern vielmehr darauf, dass sie innerhalb eines angemessenen Zeitraums nicht knackbar sind. Mit diesem Hintergrundwissen fällt unser Blick erneut auf Googles neues Spielzeug und lässt die Frage aufkommen, ob wir uns eines Tages Sorgen machen sollten, dass Cyberkriminelle es verwenden könnten, um sich Zugriff auf unser Leben zu verschaffen.

Was ist ein Quantencomputer?

Der Hauptunterschied zwischen Quantencomputern und den traditionellen Transistorcomputern, die wir heutzutage alle verwenden, besteht darin, wie sie mit Daten umgehen bzw. diese verarbeiten. Die uns vertrauten Geräte – von Smartphones und Laptops bis hin zum Schachcomputer Deep Blue – speichern alles in Bits, die kleinste Informations-Maßeinheit. Ein Bit kann einen von zwei Werten annehmen: 0 oder 1.

Nehmen wir eine simple Glühbirne als Beispiel: Sie kann entweder an- (1) oder ausgeschaltet (0) werden. Eine Datei auf einer Computerdiskette ähnelt einer Reihe von Glühbirnen, von denen einige an-und wieder andere ausgeschaltet sind. Mit einer Vielzahl solcher Glühbirnen können Sie Informationen verschlüsseln, z. B. den Satz „Albert war hier“ oder ein Bild der Mona Lisa.

Wenn ein solches Gerät ein Problem löst, muss es diese Glühbirnen kontinuierlich ein- und ausschalten und die Ergebnisse von Zwischenberechnungen schreiben und löschen, um zu verhindern, dass sie den Speicher verstopfen. Das braucht Zeit. Wenn die Aufgabe also sehr komplex ist, muss selbst ein Computer lange nachdenken.

Quantencomputer speichern und verarbeiten Daten im Gegensatz zu ihren älteren Verwandten mithilfe von Quantenbits, kurz Qubits. Diese können nicht nur „ein- und ausgeschaltet“ werden, sondern sich zudem in einer Art Übergangszustand befinden oder sogar zur selben Zeit an und aus sein. Übertragen wir dies erneut auf die Glühbirnen-Analogie, ist ein Qubit wie eine Lampe, die zwar ausgeschaltet wurde, aber weiterhin blinkt. Oder wie Schrödingers Katze, die gleichzeitig als lebendig und tot gilt.

Die ein- und ausgeschalteten Glühbirnen eines Quantencomputers sparen viel Zeit. Daher kann ein Quantencomputer komplexe Probleme viel schneller lösen als selbst das leistungsstärkste traditionelle Gerät. Google behauptet, dass seine Quantenmaschine Sycamore Berechnungen in etwas mehr als 3 Minuten durchgeführt hat, für die ein gewöhnlicher Supercomputer rund 10.000 Jahre gebraucht hätte. Und an dieser Stelle kommt der Begriff „Überlegenheit“ ins Spiel.

Quantencomputer im echten Leben

Wir haben festgestellt, dass Quantencomputer bei der Lösung hochkomplexer Probleme ziemlich kluge Köpfe sind. Warum wurde das Transistorzeitalter also nicht bereits mit in die Geschichtsbücher aufgenommen? Ganz einfach: Die Quantentechnologie steckt noch in ihren Kinderschuhen und auch der Zustand der „blinkenden Glühbirne“ ist noch sehr instabil – darüber hinaus ist es umso schwieriger, die Stabilität aufrechtzuerhalten, je mehr Qubits ein System enthält. Und die Möglichkeit komplexe Berechnungen zu bewältigen hängt unter anderem von der Anzahl der Qubits ab: selbst mit zwei Glühbirnen der Spitzenklasse, lässt sich keine Mona Lisa zeichnen.

Es gibt jedoch auch andere Gründe, die verhindern, dass Quantencomputer ihre Vorgänger vollständig ersetzen. Denken Sie daran, dass sie Informationen grundlegend anders verarbeiten. Das bedeutet, dass auch für sie funktionierende Software von Grund auf neu entwickelt werden müsste. Windows kann nicht einfach auf einem Quantencomputer installiert werden. Sie benötigen ein völlig neues Quantenbetriebssystem und Quantenanwendungen.

Obwohl Wissenschaftler und IT-Giganten bereits in Quantengewässern fischen, funktionieren Quantencomputer derzeit ungefähr wie externe Festplatten, die an normale Computer angeschlossen und über diese gesteuert werden. Sie werden verwendet, um eine begrenzte Anzahl von Problemen zu lösen, z. B. das Modellieren eines Wasserstoffatoms oder das Durchsuchen von Datenbanken.

Dennoch glauben viele, dass die Zukunft dem Quantencomputer gehört. Die ersten Quantencomputer wurden bereits 1999 auf den Markt gebracht. Heute investieren große Unternehmen wie Google, Honeywell und IBM (letzteres bietet Kunden bereits Cloud-Zugang zu seinem Quantencomputer), Toshiba, Alibaba und Baidu stark in diesen Bereich.

Trotzdem möchten wir darauf hinweisen, dass die von Google gelöste Aufgabe keinen praktischen Nutzen hat – sie stellt lediglich die Fähigkeiten des Quantencomputers zur Schau. Wir vermeiden an dieser Stelle weiter ins Detail zu gehen, da es wirklich sehr komplex und für den alltäglichen Benutzer nicht wirklich greifbar, geschweige denn notwendig ist. Wenn Sie dennoch an weiteren Informationen interessiert sind, können Sie hier einen Blick auf Googles Bericht werden.

Im Übrigen stimmt nicht jeder mit der 10.000-Jahre-Prognose von Google überein. IBM ist sich beispielsweise sicher, dass ein Supercomputer dieselbe Aufgabe lösen kann, wenn auch nicht in 3 Minuten, dann in nicht viel mehr als 48 Stunden.

Quantencomputer (noch) keine Bedrohung

Wie Sie sehen können, sind Quantencomputer für Wissenschaftler immer noch eher ein Spielzeug als Verbrauchergeräte oder Hacker-Tools. Das bedeutet allerdings nicht, dass sie in Zukunft auch auf ganzer Linie praktischer (und gefährlicher) werden. Deswegen tüfteln Datensicherheitsexperten bereits fleißig an möglichen Schlachtplänen. Aber dazu beim nächsten Mal mehr.

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