Quantencomputer

Kurz: Ein Computer, der statt klassischer Bits sogenannte Qubits nutzt, die dank quantenmechanischer Effekte (Superposition, Verschränkung) gleichzeitig mehrere Zustände annehmen können.

Genauer: Für bestimmte Problemklassen (z. B. Faktorisierung großer Zahlen, Simulation von Molekülen) versprechen Quantencomputer massive Geschwindigkeitsvorteile gegenüber klassischen Rechnern — für alltägliche Aufgaben sind sie aber nicht geeignet und aktuell noch stark fehleranfällig (Dekohärenz). Für die IT-Sicherheit relevant: Ausreichend leistungsfähige Quantencomputer könnten heutige asymmetrische Verschlüsselungsverfahren brechen, weshalb an “post-quanten-sicherer” Kryptografie gearbeitet wird.

Im Detail

Ein klassisches Bit ist immer eindeutig 0 oder 1. Ein Qubit kann sich dank Superposition dagegen in einer Überlagerung beider Zustände gleichzeitig befinden, bis es gemessen wird — erst die Messung “entscheidet” den konkreten Wert. Kombiniert man mehrere Qubits über Verschränkung (ein quantenmechanischer Effekt, bei dem der Zustand eines Qubits untrennbar mit dem eines anderen verbunden ist, egal wie weit sie räumlich voneinander entfernt sind), lassen sich dadurch für bestimmte Berechnungen exponentiell viele Zustandskombinationen gleichzeitig repräsentieren — der theoretische Ursprung des möglichen Geschwindigkeitsvorteils.

Dieser Vorteil gilt aber ausdrücklich nicht für beliebige Berechnungen, sondern nur für Problemklassen, für die spezielle Quantenalgorithmen existieren — etwa Shors Algorithmus zur Primfaktorzerlegung großer Zahlen (die Grundlage vieler asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren) oder Grovers Algorithmus zur beschleunigten Suche in unsortierten Datenmengen. Für alltägliche Aufgaben wie Textverarbeitung oder Webbrowsing bringt ein Quantencomputer keinerlei Vorteil. Zudem sind Qubits extrem störanfällig (Dekohärenz) — schon minimale Temperaturschwankungen oder elektromagnetische Störungen können den empfindlichen Quantenzustand zerstören, weshalb aktuelle Quantencomputer meist nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt und aufwendig gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt werden müssen. Für die IT-Sicherheit besonders relevant: Sollte ein ausreichend leistungsfähiger, fehlerkorrigierter Quantencomputer gebaut werden, könnte er heutige asymmetrische Verschlüsselung (z. B. RSA) in praktikabler Zeit brechen — Forschung an “post-quanten-sicherer” Kryptografie läuft deshalb bereits heute, um rechtzeitig auf resistente Verfahren umstellen zu können.

Siehe auch: Asymmetrische Verschlüsselung