Warum Amerikas Späher Quantencomputer wollen
Die NSA finanziert Grundlagenforschung an Quantencomputern. Was will der US-Spähdienst mit solchen Superrechnern? Wie funktionieren sie? Antworten auf die wichtigsten Fragen.
Spiegel Online, 3.1.2013
Der US-Geheimdienst NSA gibt Millionen Dollar aus einem Geheimbudget für die Grundlagenforschung an Quantencomputern aus. Das geht aus NSA-Dokumenten aus dem Fundus des Enthüllers Edward Snowden hervor, über die die “Washington Post” berichtet. Den Unterlagen zufolge hofft der Geheimdienst auf einen Superrechner, mt dem sich heutige Verschlüsselungsstandards leicht knacken lassen.
Wie funktionieren Quantencomputer?
Völlig anders als herkömmliche Rechner. Der wesentliche Unterschied ist dieser: Bei heutigen Computern ist die grundlegende Informationseinheit ein Bit. Es ist entweder aus (0) oder an (1). An dieser grundsätzlichen Einschränkung kommen Prozessoren nicht vorbei, ganz gleich, wie viele Rechenkerne parallel arbeiten.
Ein Quantencomputer funktioniert – theoretisch – ganz anders. Seine Informationseinheit sind Quantenbits (kurz: Qubits). Sie folgen den physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik – und da gibt es viel mehr Möglichkeiten als bloß ein oder aus, 1 oder 0. Ein Quantenbit kann beides gleichzeitig sein und mehr, es gibt eine Menge möglicher Zustände, die eine Mischung aus 0 und 1 sind.
Warum das so ist und wie es genau funktioniert, ist für Laien kaum zu verstehen. Zwei Dinge sind wichtig: Mehr mögliche Zustände eines Quantenbits ermöglichen es, dass Quantenrechner enorm schnell rechnen – viel schneller als herkömmliche Computer. Theoretisch.
Wozu braucht die NSA solche Rechner?
In dem von der “Washington Post” veröffentlichten NSA-Dokument steht als eine Zielvorgabe klar: “Starke Verschlüsselung knacken.”
Das könnte mit Quantencomputern in der Tat viel besser gehen als mit heutigen Superrechnern – theoretisch. Das liegt daran, dass die derzeit breit genutzten Verschlüsselungsverfahren im Netz sich ein bestimmtes mathematisches Problem zunutze machen. Es ist mit herkömmlicher Rechentechnik einfach, durch Multiplizieren von Primzahlen eine Zahl zu errechnen. Das passiert beim Verschlüsseln. Es ist aber ungleich schwieriger, diese Zahl wieder in ihre Primzahlen zu teilen. Das müssen die Überwacher der NSA tun, um eine Verschlüsselung zu knacken, die sie nicht mit anderen Wegen aushebeln können (Trojaner, geschwächte Standards).
Theoretisch sollten Quantencomputer Zahlen mit Hunderten von Stellen viel schneller in Primzahlen zerlegen, als es heutige Rechner können.
Gibt es schon einsatzbereite Quantencomputer?
Eine eindeutige Antwort lässt sich darauf nicht mit absoluter Gewissheit geben. Um es quantenmechanisch zu sagen: ja und nein oder vielleicht etwas dazwischen.
Die kanadische Firma D-Wave verkauft bereits Rechner, die das Unternehmen als Quantencomputer bezeichnet. Investoren bei D-Wave sind unter anderem die CIA (über deren Risikokapitalfirma In-Q-Tel) und Amazon-Gründer Jeff Bezos. D-Wave hat bereits Rechner an Google, die Nasa und den US-Rüstungskonzern Lockheed Martin geliefert. Die Rechner sollten bei Modellrechnungen für den Klimawandel und der Suche nach erdähnlichen Planeten helfen. Konkrete Erfolgsberichte über die D-Wave-Rechner gibt es bislang nicht. D-Wave hat einige Kritiker. Der Informatiker Scott Aaronson vom Massachusetts Institute of Technology zum Beispiel sagte dem SPIEGEL, es gebe aus seiner Sicht “nur extrem indirekte Beweise”, dass die D-Wave-Prozessoren quantenmechanisch funktionieren.
Fest steht derzeit: Die D-Wave-Rechner arbeiten mit einem anderen Quantenmodell als die meisten Forscher auf dem Feld. Das dürfte die Einschätzung der D-Wave-Erfolge erschweren. Klar ist auch, dass die D-Wave-Rechner – wenn sie so funktionieren wie beschrieben – wohl kaum fürs Knacken von Verschlüsselung einsetzbar sind. Denn das Zerlegen in Primzahlen ist keine Stärke dieses Systems.
Der Informatiker Matthew Green von der Johns Hopkins University sagte der “Washington Post“: “Selbst wenn alles stimmt, was sie versprechen, kann auf diesem Computer aufgrund seiner Systemarchitektur der Shor-Algorithmus nicht laufen.” Dieser Algorithmus kann auf einem Quantencomputer Zahlen faktorisieren – also genau das tun, was die NSA zum Codeknacken bräuchte.
In den von der “Washington Post” veröffentlichten NSA-Dokumenten zum Quantencomputer steht auch eindeutig, dass es sich um “Grundlagenforschung” handelt. Ziel bei dem Projekt ist es, herauszufinden, ob sich ein für Kryptoverfahren nutzbarer Quantencomputer überhaupt bauen lässt – und falls das theoretisch möglich ist, wie es konkret funktionieren könnte.
Einsatzbereite Quantenrechner zum Codeknacken gibt es aller Wahrscheinlichkeit nach derzeit und in naher Zukunft also nicht.
Kommt das Ende verschlüsselter Kommunikation?
Schwierig zu sagen, aber wahrscheinlich nicht. Verschlüsselungsverfahren werden weiterentwickelt, Forscher arbeiten schon seit Jahren an Verfahren zur Post-Quanten-Kryptografie. Außerdem: Die Gesetze der Quantenmechanik lassen sich auch für die abhörsichere Kommunikation nutzen.
Bei der Quanten-Kryptografie werden die Datenschlüssel von Photonen über Glasfaserkabel übertragen. Die Gesprächspartner haben identische Schlüsselcodes. Wenn jemand von außen versucht, die Daten auszulesen, verändert er die Photonen durchs Spähen zwangsläufig und erhält einen falschen Schlüssel. Denn nach der Heisenbergschen Unschärferelation, einem Grundprinzip der Quantenphysik, ist auf dieser Ebene keine Beobachtung möglich, ohne das beobachtete Objekt zu verändern. Wiener Physiker haben das Verfahren bereits 2008 in einem Computernetzwerk erfolgreich getestet.
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