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Stehen wir vor dem Zusammenbruch des Internet – vor einer «Quantenapokalypse»? Das klingt nach einer Science-Fiction-Szene, in der ein Supercomputer die bisherigen Verschlüsselungsmethoden aushebelt, die eine Grundlage des Internet bilden. Kaum vorstellbar, was das in unserer immer stärker vernetzten und digitalisierten Welt für ein Chaos anrichten würde.
Zumindest vorerst erscheinen unsere Online-Systeme einigermassen sicher. Ob im Online-Banking, im Zahlungsverkehr oder in staatlichen Datenbanken, überall werden Daten durch Verschlüsselung geschützt – lebenswichtige Schutzmechanismen in der digitalen Welt.
Die heute verwendeten Verschlüsselungen zu knacken, also Daten in ein unlesbares Format zu versetzen, den «Ciphertext», würde nach Auskunft von Fachleuten praktisch ewig dauern1. Das könnte sich jedoch grundlegend verändern, wenn es erst Quantencomputer gibt.
Während klassische Computer Daten in binären «Bits» speichern (Nullen und Einsen) und arbeiten, indem sie lange Reihen solcher Bits erzeugen und anschliessend abspeichern, ist mit den «Qubits» (Quantenbits) von Quantencomputern beides zugleich möglich. So können sie auf einen Schlag Millionen von Berechnungen durch Ausprobieren durchführen.
Ein Quantencomputer könnte in Sekunden schaffen, wofür ein herkömmlicher Rechner Wochen brauchen würde. Wie ist diese nicht-lineare, exponentielle Veränderung zu bewerten? Stellen wir uns konventionelle Computer als Pferdekutsche vor, wie ein Experte vor kurzem erläuterte, dann wäre ein Quantencomputer «so etwas wie ein Sportwagen – also ein gewaltiger Sprung nach vorne.»2
Das Albtraumzenario ist, dass so ein quantenmechanischer Supercomputer in die Hände von Schurkenstaaten oder Kriminellen fallen könnte. Bei ausreichender Leistungsfähigkeit könnte er eingesetzt werden, um staatliche Systeme zu hacken, Stromnetze abzuschalten, Bankkonten abzuräumen, Bitcoin-Wallets zu leeren und finanzielles Chaos zu stiften.
Das könnte das Ende des Internet bedeuten, wie wir es heute kennen.
Die drohende Katastrophe
So weit sind wir aber zum Glück noch nicht. Die heutigen Quantencomputer, die eher an futuristische, goldbestückte Kronleuchter erinnern als an unsere verlässlichen tragbaren Laptops, werden noch Jahre brauchen, bis sie in der Lage sind, das Internet zu «knacken».
Doch die Entwicklung schreitet rasch voran. So hat Google nach eigenen Angaben 2019 die sogenannte «Quantenüberlegenheit» erreicht – mit dem Sycamore-Prozessor, der eine Aufgabe, an der der schnellste Supercomputer der Welt über 10'000 Stunden gerechnet hätte, in zwei Minuten erledigte.
Der Internetriese gliederte seine Quantensparte namens Sandbox unlängst aus – mit massgeblicher finanzieller Beteiligung des ehemaligen Google-CEO Erik Schmidt und des Salesforce-CEO Marc Benioff. Andere Unternehmen wie der KI-Pionier IBM sind Google hart auf den Fersen.
Gleichzeitig liefern sich die USA und China im Moment eine Art quantenmechanischen Rüstungswettlauf des 21. Jahrhunderts. Wer als Erster einen echten Quanten-Supercomputer entwickelt, wird einen gewaltigen, wenn nicht sogar vernichtenden Cyber-Vorsprung erringen, warnen Militäranalysten.
Ein beunruhigendes Signal für Washington: Angeblich soll Peking bisher die Nase vorn haben.3 Da ein Quantensprung näher rückt, bemühen sich Sicherheitsexperten eifrig, der Entwicklung einen Schritt voraus zu bleiben. Dafür soll es gleich mehrere vielversprechende Optionen geben.
Zunächst arbeiten Wissenschaftler an neuen «quantensicheren» Verschlüsselungsmethoden. Die US-Behörde für Standardisierungsprozesse (das National Institute of Standards and Technology, kurz NIST) wertet derzeit 69 Möglichkeiten der «Post-Quantum Kryptographie» oder PQK aus.
Dann gibt es da eine potenzielle Quantum Key Distribution (QKD), die Quantenphysik nutzt, um einen Schlüssel sicher zwischen zwei Endpunkten zu übertragen.4 Beide Methoden sind aussichtsreich, doch als Patentrezept hat sich noch keine erwiesen.
Währenddessen verdeutlicht allein die grosse Zahl der führenden Behörden, Technologieriesen und sogar Banken, die sich mit Quantensicherheit befassen, was inzwischen auf dem Spiel steht. «Das ist kein futuristisches Science-Fiction-Thema, über das wir uns in 20 Jahren Gedanken machen müssen», betonte Tony Uttley, Präsident des Quantentechnologie-Unternehmens Quantinuum.
«Damit müssen wir uns heute auseinandersetzen.»5
Ein Quantensprung für die Menschheit
Die Quantenzukunft ist aber nicht nur düster und beklemmend. Viele Technologen blicken ihr eher ehrfürchtig als ängstlich entgegen – bietet sie doch das Potenzial, neue Erkenntnisse und Möglichkeiten zu erschliessen. Wie könnten diese neuen Optionen aussehen?
Befürworter von Quantenrechnern wie IBM und Google verweisen auf eine ganze Reihe potenzieller Vorteile auf so unterschiedlichen Gebieten wie künstlicher Intelligenz, Datenanalyse, medizinischer Forschung, Wetter- und Pandemieprognosen und sogar Logistik- und Lieferkettenmodellierung. In einer Welt der Datenfluten bieten Quantencomputer ihrer Ansicht nach eine Möglichkeit, den Rauschpegel zu durchbrechen und in jeder Hinsicht zum Verständnis zu gelangen.
Revolution im Gesundheitswesen
Ein Beispiel ist das Gesundheitswesen. Weltweit werden Gesundheitsdaten – wie Informationen aus klinischen Studien, Seuchenregister und elektronische Patientenakten – spätestens 2025 mit einer Rate von 36 Prozent zunehmen: ein atemberaubendes Tempo.6
Doch das eigentliche Potenzial dieser Daten kann derzeit noch nicht ausgeschöpft werden. Die Informationen sind häufig zu spärlich oder zu breit gestreut, um aussagekräftige Signale herauszufiltern. Wo das überhaupt möglich ist, wie in der Medikamentenentwicklung, kann es Jahre oder gar Jahrzehnte dauern und Milliarden kosten – zwei erhebliche Hürden, die dafür sorgen, dass jedes Jahr nur ein paar wenige bahnbrechende Medikamente auf den Markt kommen, obwohl es mehr geben könnte.
Mit Quantenrechnern, so hoffen Pharmaunternehmen wie Roche, kann die Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen durch sogenannte Quantensimulationen jedoch beschleunigt werden. Vielleicht lässt sich damit sogar ein Mittel gegen Alzheimer finden.7
Der Grund dafür: Quantensimulationen könnten den nötigen Zeit- und Geldaufwand für die Forschung drastisch verringern, wenn Supercomputer erst Millionen komplexer chemischer und biologischer Berechnungen pro Sekunde ausführen.
Letztlich, so die Hoffnung der Pharmaindustrie, können solche Simulationen vielleicht sogar Versuche an Mensch und Tier ersetzen und damit noch mehr Kosten und Zeit sparen. Doch das ist längst nicht alles. Desweiterem könnte auch Durchbrüche auf anderen Gebieten wie Prognostik und Modellierung geben, etwa für Wetterberichte, Pandemieprognosen oder Lieferketten.
So sind Wettervorhersagen beispielsweise notorisch unzuverlässig. Auf fünf bis sieben Tage treffen die Wetterberichte gewöhnlich zu, doch für längere Zeiträume wie Wochen oder Monate liegen sie oft weit daneben. Es existieren einfach zu viele Variablen, die ohne die Hilfe eines Supercomputers nicht kalkulierbar sind.
Angesichts der Zunahme von Naturkatastrophen und deren Kosten, der globalen Ernährungssicherheit, die Grund zu grosser Sorge gibt, und der globalen Erwärmung als eines der drängendsten Probleme unserer Zeit wird es künftig entscheidend darauf ankommen, Wettermuster und Ernteerträge besser zu verstehen und zu prognostizieren.
Exponentiell investieren
Ähnlich revolutionär könnten die Entwicklungen für Anleger ausfallen. Pharmaunternehmen, die hohe Summen in Quanten-Computing investieren, könnten schon bald enorme Vorteile gegenüber Konkurrenten geniessen, wenn es um neue Therapien oder Impfstoffe geht.
Möglicherweise gelingt es ihnen, neuartige Medikamente gegen schwer behandelbare Erkrankungen wie Alzheimer auf den Weg zu bringen. Aber auch ihre Forschungs- und Entwicklungskapazitäten könnten gewaltige Impulse erhalten. Das wiederum könnte rivalisierende Unternehmen dazu bringen, selbst ebenfalls quantenmechanische Lösungen einzuführen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.
Angesichts fallender Hürden für die Medikamentenentwicklung könnte ein goldenes Zeitalter für Biotechnologie ins Haus stehen – ein Fortschritt, der genau zur richtigen Zeit käme, da sich die Anzahl von Menschen über 50 weltweit bis 2050 verdoppeln soll.8
Andere Branchen könnten vor ähnlichen revolutionären Entwicklungen stehen, darunter Computer- und Netzsicherheit sowie Logistik. Kein Wunder also, dass sich Softbank und Vodafone unlängst mit Googles Sandbox zusammengeschlossen haben, um deren Potenzial auszuloten, und die Branchenschwergewichte Exxon und Daimler ihrerseits mit dem Quantum Services Team von IBM.
Können sie sich dadurch zeitig von der Konkurrenz absetzen? Und werden Google und IBM in dieser Sparte ähnlich dominieren wie Microsoft und Amazon heute im Bereich der Cloud-Dienste?
Das weiss natürlich keiner so genau, noch nicht einmal die allmächtigen Quantencomputer, die unser Leben radikal auf den Kopf zu stellen versprechen.
Eines ist jedoch sicher: Es steht uns ein Quantensprung bevor – mit gewaltigen Risiken und Chancen. Darauf müssen sich Sicherheitsexperten und Investoren einstellen.
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Glossar
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1Scientific American
2IDQ
3Newsweek
4RBC Capital Markets
5Fierce Biotech
6United Nations
7Cision News
8Tech Republic
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