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Quantencomputer: Die Rechner der nächsten Generation

Im IBM Q-Lab in New York arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler am universellen Quantencomputer, der eines Tages auch kommerziell vertrieben werden soll. (Foto: Connie Zhou für IBM)

Quantencomputer sind leistungsfähiger als aktuelle ­Super­computer und bringen heutige Sicherheitssysteme an ihre Grenzen. Was Unternehmen wissen müssen.

In dem Roman „Diabolus“ von Dan Brown betreibt der amerikanische Geheimdienst NSA in einem Keller – versteckt vor der Öffentlichkeit – einen Supercomputer. Er ist dazu in der Lage, alle Verschlüsselungscodes der Welt zu knacken. Die NSA kann jegliche Kommunikation weltweit damit abhören. Wie der Rechner genau funktioniert, lässt der Autor zwar offen. Aber als vor Kurzem die Nachricht die Runde machte, dass die reale NSA an Quantencomputern forschen lässt, schien das Szenario aus Dan Browns düsterem Thriller gar nicht mehr so weit weg. Denn ein Quantenrechner würde die heutigen IT-Sicherheitsstandards aushebeln. Aufgrund seiner gewaltigen Rechenleistung könnte er mehr der Daten, die User im Internet tagtäglich hinterlassen, schnell und umfassend auswerten.

Nicht nur Geheimdienste sind an solchen Rechnern interessiert: IBM, Microsoft, Google oder kleinere Firmen wie Novarion und D-Wave – sie alle wollen die Ersten sein, die einen markttauglichen Quantencomputer fertigstellen. In der Informations­technik gilt die Methodik dahinter als der nächste Quantensprung: Schon mit 50 Quantenbits (Qubits) sollen die Rechner schneller sein als die besten bisherigen Supercomputer – 17 Qubits haben Firmen wie IBM bereits erreicht. Die Rechner ermöglichen eine Vielzahl neuartiger Anwendungen, von der Simulation kom­plexer chemischer Vorgänge bis hin zur Echtzeitsuche in riesigen Datensätzen – sei es im E-Commerce oder in der Medizin, für die Rechner ­heute Tage oder Wochen bräuchten. Trotz des Interesses der Geheimdienste könnte sogar die Privatsphäre im Internet von Quantenrechnern profitieren. Falls Unternehmen die Entwicklungen nicht verschlafen, könnten neue kryptographische Verfahren die Kommunikation nahezu unknackbar machen.

Aber wann sind diese Rechner so weit? Sollten sich IT-­Unternehmen mit dieser Technik wirklich schon beschäftigen, um frühzeitig Vorteile gegenüber der Konkurrenz zu haben und sicherheitstechnisch kein Risiko einzugehen? Forscher würden diese Fragen mit Ja beantworten, weil die Veränderungen in der IT-Landschaft zwangsläufig kommen und sie darauf vorbereitet sein wollen.

Die große Stärke der Quantenrechner liegt in ihrer Funk­tionsweise. Heutige Rechner arbeiten auf der Basis von Bits. ­Alles, was ein Computer macht, lässt sich auf simple, logische Verknüpfungen zurückführen, die in der Informatik durch 0 und 1 repräsentiert werden. Dass einfache Berechnungen mit Bits komplexe Software wie Textverarbeitung, Videospiele, das Internet oder gar maschinelles Lernen ermöglichen, liegt daran, dass sie Rechner millionenfach innerhalb einer Sekunde bewältigen können. Andererseits stoßen selbst leistungsstarke Super­computer irgendwann an ihre Grenzen. Wollen Forscher zum Beispiel ein Molekül auf atomarer Ebene mit allen möglichen Zuständen und Wechselwirkungen simulieren, wären Supercomputer länger beschäftigt, als ein Menschenleben andauert.

Quantenrechner hingegen nutzen die seltsamen Effekte der Quantenmechanik, die sogenannte Superposition: Qubits können nicht nur die zwei Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch ­beide Zustände gleichzeitig: In Bits entspräche es den Zuständen 00, 01, 10 und 11. Quantenrechner können mit diesen vier Zuständen gleichzeitig rechnen und somit auch mehrere Rechen­wege parallel einschlagen.

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