Wenn Verschlüsselungen nicht mehr sicher sind: Der Quantencomputer wirft seine Schatten voraus.

Einige Verfahren zur Verschlüsselung von Daten beruhen darauf, dass die Berechnungen zum Knacken der Verschlüsselung auch mit den leistungsfähigsten Computern mehrere Jahre dauern. Der Quantencomputer löst nun aber solche Probleme vielleicht viel schneller und kann diese Art von Verschlüsselung deshalb knacken.

Die sogenannten asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren nutzen die Eigenschaften einiger mathematischer Funktionen, bei denen die Berechnung in die eine Richtung sehr rasch geht, die Umkehrfunktion jedoch sehr rechenintensiv ist. Ein Beispiel ist das Generieren von Zahlen aus Primzahlen. Das geht relativ einfach, wie man leicht selber prüfen kann. Eine Zahl in Primzahlen zu zerlegen, ist hingegen extrem aufwendig. Der Quantencomputer scheint dies nun sehr rasch machen zu können, was bedeutet, dass die Verschlüsselung auf diese Weise geknackt werden könnte.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Quantencomputer nutzen die quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, in unbeobachteten Momenten an mehreren Orten gleichzeitig aktiv sein zu können. Mithilfe dieser Eigenschaft kann ein Elektron mehrere Aufgaben gleichzeitig wahrnehmen.

Wie kann man sich einen quantenmechanischen Computer nun aber vorstellen?

Ich möchte das anhand eines Bauern illustrieren, der sich ein paar wenige Hühner gekauft hat. Er lässt diese am Morgen in den Hühnerhof. Als er seine Hühner am Abend wieder in den Stall zurückbringen will, staunt er nicht schlecht: Der Boden im Hühnerhof und in der ganzen Umgebung ist aufgescharrt, als ob Tausende von Hühnern in seinem Hof und auch ausserhalb gewesen wären. Überall liegen Eier herum, meist zerbrochene. Der Bauer beschliesst, die Hühner am nächsten Tag zu beobachten, um herauszufinden, was hier passiert.

Die Enttäuschung ist gross, als er den ganzen folgenden Tag nur seine paar Hühner Körner picken und einige wenige Eier legen sieht. Er zweifelt an sich selbst und beschliesst, die Beobachtungen aufzugeben. Doch am Abend darauf zeigt sich wieder das Bild vom ersten Tag! Jetzt erinnert der Bauer sich daran, dass er einmal etwas über Quantenmechanik gelesen hat. Offenbar hat er auf dem Markt Quanten-Hühner erhalten! Er baut also Nester, in welche die Hühner ihre Eier bequem legen können. Als er am darauffolgenden Abend das Ergebnis begutachtet, ist er mehr als erfreut: Tatsächlich liegen viele Eier in den Nestern. Mit grossem Erstaunen stellt er aber auch fest, dass in einigen Metern Entfernung ebenfalls Eier liegen, und zwar in der gleichen Anordnung, obwohl sich dort keine Nester befinden. Das geht so weiter, soweit das Auge reicht. Es ist immer das gleiche Muster, das sich wiederholt. Leider sind allerdings die meisten Eier zerbrochen, weil sie nicht in ein gepolstertes Nest gelegt wurden. Der Bauer baut deshalb auch an diesen Orten in der gleichen Anordnung weitere Nester, solange er noch Baumaterial hat. Das Ergebnis ist schlicht atemberaubend: Er kann am folgenden Tag entlang dieser Nester kilometerweit Tausende von Eiern einsammeln. In den Tagen danach sieht er aber auch, dass nicht ganz alles so exakt planbar ist: Manche Eier liegen ein paar Zentimeter neben den Nestern und sind deshalb zerbrochen.

Was hat das alles mit dem Quantencomputer zu tun?

Nehmen wir anstelle der Hühner Elektronen, anstelle der Nester Schaltkreise und anstelle der Eier Rechenaufgaben, so haben wir einen Quantencomputer. Wie der Bauer versuchen die Forscher die sich scheinbar multiplizierenden Elektronen dazu zu bringen, ihre Arbeit möglichst zusammen an definierten Orten zu machen, weil ihre Arbeit sonst nutzlos ist. Wie der Bauer erkennen aber auch die Forscher, dass sich die quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen nicht für alle Computerarbeiten nutzen lässt.

Sollte der Quantencomputer in ca. 20 Jahren allerdings tatsächlich in der Lage sein, numerische Aufgaben sehr viel schneller zu lösen, müssen für die meisten asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren neue Algorithmen gesucht werden. Daten, die mit den bisherigen Verfahren verschlüsselt wurden, könnten dann nämlich geknackt werden.

Was wären die konkreten Auswirkungen auf den Alltag?

Hier einige Beispiele:

• Transaktionen mit Kryptowährungen und auch mit normalem Geld werden heute mit asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren gesichert. Mit dem Quantencomputer könnte der Absender oder der Empfänger von Geld gefälscht werden.
• Digitale Unterschriften unter Dokumenten könnten nachträglich gefälscht werden.
• Verschlüsselte E-Mails könnten entschlüsselt werden.

Besonderes Kopfzerbrechen bereitet der Umstand, dass mit diesen Verfahren verschlüsselte Daten und Unterlagen, die lange aufbewahrt werden sollen, später einmal entschlüsselt oder gefälscht werden könnten. Deshalb arbeiten bereits heute einige Firmen und Universitäten an der Forschung von Verschlüsselungsverfahren, die auch mit dem Quantencomputer nicht geknackt werden können.

Mein Fazit: Wer heute eine neue teure und für das Unternehmen wichtige Software beschafft, sollte bereits jetzt darauf schauen, dass Verschlüsselungsfunktionen bei Bedarf ausgetauscht werden können.

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