Was ist ein Quantencomputer? Folgen für Unternehmen

01Was ist ein Quantencomputer?

Alle Computer, die wir nutzen, vom Smartphone bis zum Server im Rechenzentrum, verarbeiten Informationen in Einheiten, die Bit heißen. Jedes Bit ist entweder 0 oder 1, und gerechnet wird, indem sich Milliarden von Bits blitzschnell ändern.

Das Quantencomputing nutzt dagegen die Regeln der Quantenmechanik, die das Verhalten subatomarer Teilchen bestimmt. Die Grundeinheit ist das Qubit, und sein Verhalten unterscheidet sich grundlegend vom klassischen Bit. Dieser Unterschied kann bei bestimmten Problemen Berechnungen möglich machen, die mit klassischen Methoden praktisch nicht lösbar wären.

Räumen wir ein wichtiges Missverständnis gleich aus: Ein Quantencomputer ist keine schnellere Version des heutigen Computers. Für E-Mails, das Aufrufen einer Website oder den Betrieb einer Buchhaltungssoftware braucht man keinen Quantencomputer, und man wird auch nie einen brauchen.

02Was ist ein Qubit, und wie unterscheidet es sich vom Bit?

Um zu verstehen, was ein Qubit ist, genügen drei Begriffe. Physikalisch sind sie tiefgründig, doch ihre Logik lässt sich einfach erklären.

Superposition

Ein klassisches Bit ist entweder 0 oder 1. Ein Qubit kann sich dagegen in einem Zustand befinden, in dem 0 und 1 bis zur Messung mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten gleichzeitig vorliegen. Das nennt man Superposition. Bei der Messung fällt das Qubit auf ein einziges Ergebnis, 0 oder 1.

Verschränkung

Zwei oder mehr Qubits können so miteinander verknüpft sein, dass sich der Zustand des einen nicht unabhängig vom anderen beschreiben lässt. Diese Verschränkung ermöglicht es den Qubits, gemeinsam einen viel reicheren Zustandsraum darzustellen.

Interferenz

Quantenalgorithmen ordnen Wahrscheinlichkeiten so an, dass sie sich wie Wellen gegenseitig verstärken oder auslöschen. Die Wahrscheinlichkeit der richtigen Antwort wird erhöht, die der falschen verringert. Die Stärke des Quantencomputers kommt nicht daher, dass er jede Möglichkeit einzeln ausprobiert, sondern aus dieser Interferenz-Anordnung.

03Wofür ist ein Quantencomputer gut?

Die ehrliche Antwort auf die Frage, wofür ein Quantencomputer gut ist: Er bringt Vorteile bei Problemen mit bestimmter mathematischer Struktur. Die Felder, auf die sich die Forschung am meisten konzentriert, sind:

• Material- und Chemiesimulation: Das Verhalten von Molekülen ist von Natur aus quantenmechanisch; ein vielversprechendes Feld für die Forschung an neuen Medikamenten, Batterien und Katalysatoren.
• Optimierung: Untersucht werden vielfältige Probleme wie Logistikrouten, Produktionsplanung und Portfolioverteilung; der praktische Vorteil befindet sich noch im Forschungsstadium.
• Verschlüsselung knacken: Der Shor-Algorithmus könnte auf einem ausreichend großen, fehlerfreien Quantencomputer die heute gängigen Public-Key-Verfahren brechen.
• Suchprobleme: Der Grover-Algorithmus bringt bei unstrukturierten Suchen eine Beschleunigung in der Größenordnung der Quadratwurzel.
• Maschinelles Lernen: Der Beitrag von Quantenmethoden zu manchen Lernproblemen wird erforscht, doch die Ergebnisse stehen noch am Anfang.

04Was sagt der realistische Zeitplan?

Heutige Quantencomputer funktionieren, haben aber erhebliche Einschränkungen. Qubits werden schon durch kleinste Einflüsse der Umgebung gestört; das nennt man Dekohärenz. Viele Systeme müssen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, und die Berechnungen sind fehlerbehaftet.

Das eigentliche Ziel der Branche sind deshalb fehlertolerante Quantencomputer, die Fehler selbst korrigieren. Dazu müssen sich viele physische Qubits zu einem einzigen zuverlässigen logischen Qubit zusammenschließen. Wann diese Schwelle erreicht wird, schätzen Fachleute unterschiedlich ein; ein genaues Datum lässt sich nicht nennen.

Das realistische Bild sieht so aus: Das Quantencomputing wird in den kommenden Jahren von den Forschungslaboren in die Industrie wandern, und die ersten greifbaren Vorteile dürften in Bereichen wie Chemie und Materialwissenschaft sichtbar werden. Dass es den Alltag kleiner und mittlerer Unternehmen kurzfristig direkt verändert, ist nicht zu erwarten.

05Quantencomputer und das Verschlüsselungsrisiko

Die greifbarste Seite des Quantencomputers für Unternehmen ist die Sicherheit. Sichere Verbindungen im Internet, digitale Signaturen und viele Authentifizierungsverfahren beruhen auf Public-Key-Verschlüsselung wie RSA und elliptischen Kurven. Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer könnte diese Verfahren brechen.

Das ist noch nicht möglich, aber schon heute gibt es Schritte, die getan werden sollten. Denn es besteht ein Risiko namens »jetzt sammeln, später entschlüsseln«: Ein Angreifer kann verschlüsselte Daten heute aufzeichnen und abwarten, bis die Quantentechnik sie später entschlüsseln kann. Für Daten, die über Jahre geheim bleiben müssen, ist das ein ernstes Thema.

Die dagegen entwickelten Verfahren heißen Post-Quanten-Kryptografie. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) hat in diesem Bereich neue Algorithmen standardisiert; Einzelheiten finden Sie auf der NIST-Seite zur Post-Quanten-Kryptografie. Das Thema mit seinen technischen Details haben wir im Beitrag Post-Quanten-Kryptografie behandelt.

06Wie erhält man Zugang zu Quantencomputing?

Einen Quantencomputer zu kaufen ist für ein Unternehmen weder nötig noch praktikabel. Große Cloud-Anbieter und Forschungsunternehmen bieten Zugang über die Cloud zu Quantenhardware an. Entwickler können mit Open-Source-Bibliotheken kleine Quantenschaltkreise schreiben und auf echter Hardware oder im Simulator ausführen.

Dieses Zugangsmodell zeigt, dass Quantencomputing wie Edge Computing und die Cloud als Dienst genutzt werden wird. Für Unternehmen heißt das: Sie bauen die Fähigkeit nicht selbst auf, sondern mieten sie bei Bedarf; der eigentliche Wert liegt darin, das Problem richtig zu definieren.

Wie die Tabelle zeigt, sind die beiden Technologien keine Konkurrenten, sondern ergänzen einander. Im typischen Zukunftsszenario erledigen klassische Systeme den Großteil der Arbeit, und nur geeignete Teilprobleme werden an einen Quantenprozessor geschickt, so wie heute Grafikprozessoren bestimmte Berechnungen übernehmen.

07Was sollten Unternehmen heute tun?

Die Vorbereitung auf das Quantenzeitalter beginnt mit heutiger Sicherheits- und Infrastrukturhygiene. Panik ist nicht nötig, doch die To-do-Liste lässt sich so zusammenfassen:

1. Legen Sie fest, welche Daten über viele Jahre geheim bleiben müssen.
2. Fragen Sie nach, ob die von Ihnen genutzte Software und Ihre Anbieter ihre Verschlüsselungsverfahren aktuell halten.
3. Führen Sie Server-, SSL- und Bibliotheks-Updates regelmäßig durch; neue Algorithmen kommen mit diesen Updates.
4. Bevorzugen Sie eine flexible Softwarearchitektur, in der sich das Verschlüsselungsverfahren leicht austauschen lässt.
5. Vergessen Sie die realen Bedrohungen von heute nicht, etwa Ransomware-Angriffe; für die meisten Unternehmen ist das weiterhin das eigentliche Risiko.

08Wie sieht Aurora dieses Thema?

Wir bei Aurora Yazılım haben uns zum Grundsatz gemacht, Unternehmen keine übertriebenen Zukunftsversprechen, sondern Technologie zu empfehlen, die heute nützt. Wie wir auf der Seite Über uns beschreiben, entwickeln wir seit Jahren Webseiten, E-Commerce und Branchensoftware und prüfen jede neue Technologie durch diesen Filter.

Quantencomputing ist für die meisten Unternehmen heute kein Investitionsthema, sondern ein Thema der Aufmerksamkeit. Heute zu tun ist: eine aktuelle und sichere Shopsystem-Infrastruktur, ein regelmäßig gewarteter Server und eine Website, die im Rahmen der Speed- und Performance-Optimierung überwacht wird. Die realen Bedrohungen von heute haben wir in unserem Ratgeber zur Ransomware beschrieben.

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