Der Bullenmarkt der Quantencomputer

Eine bekannte TV-Persönlichkeit, die eine Sendung über Aktien und Investitionen moderiert, behauptet gerne: „Es gibt immer irgendwo einen Bullenmarkt“, was bedeutet, dass es immer möglich ist, einen Bereich zu finden, der das Interesse der Anleger auf sich zieht. Angesichts der Tatsache, dass der US-Aktienmarkt kürzlich sein schlechtestes Jahr seit 2008 hinter sich gebracht hat, könnte man meinen, dass dieses Sprichwort widerlegt ist. Aber ich würde behaupten, dass ein Bereich, in dem es derzeit einen Bullenmarkt gibt, der Hype um Quantencomputer ist.

Das Ereignis, das den Hype um das Quantencomputing ausgelöst zu haben scheint, war die Verleihung des Nobelpreises für Physik 2022 an den französischen Physiker Alain Aspect, den Österreicher Anton Zeilinger und den Amerikaner John Clauser für ihre Arbeiten über verschränkte Quantenteilchen. Verschränkte Quantenteilchen bilden den Kern von Quantencomputern.

Man geht davon aus, dass Quantencomputer, sobald alle Probleme behoben sind, neue Möglichkeiten in der Mathematik eröffnen und die Entwicklung von industriellen Chemikalien und Medikamenten revolutionieren könnten. Aber es ist die dunklere Seite des Quantencomputers, die die Phantasie der Experten angeregt hat: Die Befürchtung ist, dass Quantencomputer jedes derzeit verwendete Verschlüsselungsprotokoll knacken und damit allerlei Unheil anrichten könnten. Kryptografische Schlüssel schützen die meisten Online-Kommunikationen, einschließlich Finanztransaktionen und beliebter Textnachrichten-Apps. Ein praktischer Quantencomputer könnte diese Schlüssel vermutlich in weniger als einem Tag knacken. Der CEO eines bekannten Cybersicherheitsunternehmens berichtete kürzlich, dass Kriminelle und andere Akteure mit bösen Absichten bereits Angriffe nach dem Prinzip „Jetzt speichern - später entschlüsseln“ durchführen, bei denen Daten jetzt gestohlen werden, um sie später mit noch zu bauenden Quantencomputern zu entschlüsseln.

Das Ministerium für Innere Sicherheit behauptet, dass diese Art der Entschlüsselung bis 2030 möglich sein könnte. Das ist ein Problem für Organisationen mit vielen verschlüsselten, geschützten Daten - Militär, staatliche Geheimdienste und Finanzinstitute sind wahrscheinlich nervös, wenn es um Quantencomputer geht. Kein Wunder, dass das NIST ein so genanntes National Cybersecurity Center of Excellence ins Leben gerufen hat. Ihr Ziel ist die Entwicklung einer Post-Quanten-Kryptographie, die von Quantencomputern nicht geknackt werden kann.

Bevor wir über die Gefahren von Quantencomputern in sieben Jahren hyperventilieren, ist es vielleicht sinnvoll, einen Blick auf den heutigen Stand der Technologie zu werfen. Ein Forscher der Keio-Universität in Tokio wurde mit der Aussage zitiert, dass die Quanteninformatik jetzt in einem Stadium ist, das dem der klassischen Informatik in den späten 1980er Jahren ähnelt. Aber ich würde sagen, das ist großzügig. Während Computer in den späten 1980er Jahren in Geschäften an die Öffentlichkeit verkauft wurden, existieren Quantencomputer heute nur in Labors und müssen von ganzen Forscherteams betrieben werden. Und zur Zeit sind Quantencomputer sowohl rechnerisch klein - der größte ist der IBM Osprey mit 433 Qubits - als auch „verrauscht“, das heißt, sie versagen bei fast jeder Aufgabe.

Nehmen wir einen Quantencomputer namens Sycamore, der von Google entwickelt wird. Er verfügt derzeit über einen 54-Qubit-Prozessor und muss mindestens einen Tag lang in einem sechs Fuß hohen Zylinder mit flüssigem Stickstoff liegen, bevor die supraleitenden Komponenten, von denen er abhängt, stabil genug sind, um verwendet zu werden. Berichten zufolge ist eine Errungenschaft von Sycamore die Fähigkeit, bis vier zählen zu können. Und der Sycamore-Prozessor macht Berichten zufolge im Durchschnitt etwa alle tausend Schritte einen Fehler.

Natürlich sind für eine sinnvolle Arbeit an einem Quantencomputer weit mehr als tausend Schritte erforderlich. Die Algorithmen, die Quantencomputer ausführen, bestehen im Wesentlichen aus Matrix-Vektor-Multiplikationen. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, muss ein Programm zehntausende Male ausgeführt werden, woraufhin Signalverarbeitungstechniken die Ergebnisse aus einem Berg von Daten heraussieben.

Fehlertoleranz ist ein großes Thema bei Quantencomputern, weil die heutigen Quantencomputer so viele Fehler machen. Man könnte meinen, die Situation ließe sich verbessern, indem man den Zustand der Qubits überprüft, während der Prozessor läuft. Das Problem: Die Messung eines Qubits führt zu einer Verschlechterung der Berechnung. Und es sind nicht nur Messungen durch bewusste Beobachter, die Probleme verursachen; es gibt eine Vielzahl von Interaktionen mit der Umwelt, die die Ergebnisse auf die gleiche Weise verfälschen.

Einige Forscher glauben, dass wir in etwa einem Jahr das erste vollständig fehlertolerante Qubit sehen könnten. Dennoch werden die Computer, die fehlertolerante Qubits beherbergen können, in absehbarer Zukunft wahrscheinlich massiv sein. So plant Google beispielsweise einen Quantencomputer, der in einem Gefrierschrank von der Größe einer Garage untergebracht werden soll.

Diese Faktoren erinnern mich an die Worte meines ersten technischen Vorgesetzten. Er pflegte den allzu optimistischen jungen Ingenieuren in seinem Team zu sagen: „Ihr habt Probleme, von denen ihr noch nicht einmal wisst, dass ihr sie habt“, wenn es um ihr erstes bedeutendes Designprojekt ging.

Diese Beobachtung könnte auch auf Quantencomputer zutreffen, die eher nach Forschungsanstrengungen als nach Vorläufern von Krypto-Knackern klingen. Möglicherweise werden wir eines Tages sehen, dass Quantencomputer die Art von Super-Entschlüsselungsfähigkeiten aufweisen, die dem Ministerium für Heimatschutz Sorgen bereiten. Aber mein alter Vorgesetzter könnte den Zeitrahmen von sieben Jahren genauso abtun, wie er den Überschwang seiner noch unerfahrenen Ingenieure abgetan hat.