Was ist Quantum Computing und warum werden Datenschutzbedenken aufgeworfen?

Quantum Computing steht während des größten Teils des letzten Jahrzehnts an der Schwelle einer technologischen Revolution. Der versprochene Durchbruch scheint jedoch noch nicht näher zu sein als noch vor einigen Jahren. Während die Investitionen weiter fließen, werfen Experten unangenehme Fragen auf, ob dies das Ende des Online-Datenschutzes darstellt, wie wir ihn kennen. Was ist Quantencomputer, wie unterscheidet er sich von herkömmlichen Computern und warum läuten Forscher die Alarmglocke? Wir werden heute versuchen, all diese Fragen zu beantworten.

Was ist Quantum Computing und wie bedroht es die Cybersicherheit?

Die heutigen Quantencomputer haben uns zwar einen Einblick in die Leistungsfähigkeit der Technologie gegeben, sie hat jedoch noch nicht annähernd ihr Spitzenpotential erreicht. Dennoch ist es das Versprechen ungezügelter Macht, das die Cybersicherheitsfachleute in die Knie zwingt. Heute werden wir mehr über diese Bedenken und die Schritte erfahren, die Forscher unternehmen, um sie anzugehen. Schauen wir uns also ohne weiteres an, was Quantencomputer sind, wie sie funktionieren und was Forscher tun, um sicherzustellen, dass sie nicht die Sicherheits-Albträume sind. Inhaltsverzeichnis + -

Was ist Quantencomputer??

Quantencomputer sind Maschinen, die die Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, wie Überlagerung und Verschränkung, um komplexe Probleme zu lösen. Sie liefern in der Regel eine enorme Verarbeitungsleistung, die um eine Größenordnung höher ist als die der größten und leistungsstärksten modernen Supercomputer. Auf diese Weise können sie bestimmte Rechenprobleme, wie z. B. die Ganzzahlfaktorisierung, wesentlich schneller lösen als normale Computer.

Der 2019 eingeführte 53-Qubit-Sycamore-Prozessor von Google soll die Quantenüberlegenheit erreicht haben und die Grenzen der Möglichkeiten der Technologie erweitert haben. Es kann angeblich in drei Minuten erledigen, was ein klassischer Computer in etwa 10.000 Jahren in Anspruch nehmen würde. Dies verspricht Forschern in vielen Bereichen große Fortschritte, hat jedoch auch unangenehme Fragen zur Privatsphäre aufgeworfen, mit denen sich Wissenschaftler jetzt befassen.

Unterschied zwischen Quantencomputern und traditionellen Computern

Der erste und größte Unterschied zwischen Quantencomputern und herkömmlichen Computern besteht in der Art und Weise, wie sie Informationen codieren. Während letztere Informationen in binären 'Bits' codieren, die entweder 0s oder 1s sein können, In Quantencomputern ist die Grundeinheit des Speichers ein Quantenbit oder "Qubit", dessen Wert gleichzeitig entweder "1" oder "0" oder "1 UND 0" sein kann. Dies geschieht durch 'Überlagerung' - das Grundprinzip der Quantenmechanik, das beschreibt, wie sich Quantenteilchen in der Zeit bewegen, an mehreren Orten gleichzeitig existieren und sogar teleportieren können.

Durch Überlagerung können zwei Qubits vier Szenarien gleichzeitig darstellen, anstatt nacheinander eine '1' oder eine '0' zu analysieren. Die Fähigkeit, mehrere Werte gleichzeitig anzunehmen, ist der Hauptgrund, warum Qubits die Zeit zum Knacken eines Datensatzes oder zum Durchführen komplexer Berechnungen erheblich verkürzen.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen Quantencomputern und herkömmlichen Computern ist das Fehlen jeglicher Quantencomputersprache an sich. Beim klassischen Rechnen hängt die Programmierung von der Computersprache ab (UND, ODER, NICHT), aber bei Quantencomputern gibt es keinen solchen Luxus. Das liegt daran, dass im Gegensatz zu normalen Computern, Sie haben keinen Prozessor oder Speicher, wie wir ihn kennen. Stattdessen gibt es im Gegensatz zu herkömmlichen Computern nur eine Gruppe von Qubits, um Informationen ohne komplizierte Hardwarearchitektur zu schreiben.

Grundsätzlich sind sie im Vergleich zu herkömmlichen Computern relativ einfache Maschinen, können aber dennoch Unmengen an Leistung bieten, die zur Lösung sehr spezifischer Probleme genutzt werden können. Bei Quantencomputern verwenden Forscher normalerweise Algorithmen (mathematische Modelle, die auch auf klassischen Computern funktionieren), die Lösungen für lineare Probleme liefern können. Diese Maschinen sind jedoch nicht so vielseitig wie herkömmliche Computer und nicht für alltägliche Aufgaben geeignet.

Mögliche Anwendungen von Quantum Computing

Quantum Computing ist immer noch nicht das ausgereifte Produkt, von dem einige glaubten, dass es bis zum Ende des letzten Jahrzehnts sein wird. Es bietet jedoch immer noch einige faszinierende Anwendungsfälle, insbesondere für Programme, die eine polynomielle Quantenbeschleunigung zulassen. Das beste Beispiel dafür ist die unstrukturierte Suche, bei der ein bestimmtes Element in einer Datenbank gefunden wird.

Viele glauben auch, dass einer der größten Anwendungsfälle des Quantencomputers die Quantensimulation sein wird, die im Labor schwer zu untersuchen und mit einem Supercomputer nicht zu modellieren ist. Dies sollte theoretisch zu Fortschritten sowohl in der Chemie als auch in der Nanotechnologie beitragen, obwohl die Technologie selbst noch nicht ganz fertig ist.

Ein weiterer Bereich, der von Fortschritten im Quantencomputer profitieren kann, ist das maschinelle Lernen. Während die Forschung in diesem Bereich noch andauert, glauben Befürworter des Quantencomputers, dass die lineare algebraische Natur der Quantenberechnung es Forschern ermöglichen wird, Quantenalgorithmen zu entwickeln, die maschinelle Lernaufgaben beschleunigen können.

Dies bringt uns zu dem bemerkenswertesten Anwendungsfall für Quantencomputer - der Kryptographie. Die rasante Geschwindigkeit, mit der Quantencomputer lineare Probleme lösen können, lässt sich am besten anhand der Art und Weise veranschaulichen, wie sie die Kryptographie mit öffentlichen Schlüsseln entschlüsseln können. Dies liegt daran, dass ein Quantencomputer das Problem der ganzzahligen Faktorisierung, das Problem des diskreten Logarithmus und das Problem des diskreten Logarithmus mit elliptischen Kurven effizient lösen kann, die zusammen die Sicherheit fast aller kryptografischen Systeme mit öffentlichem Schlüssel unterstützen.

Ist Quantum Computing das Ende des digitalen Datenschutzes??

Es wird angenommen, dass alle drei oben genannten kryptografischen Algorithmen mit herkömmlichen Supercomputern rechnerisch nicht realisierbar sind und normalerweise zum Verschlüsseln sicherer Webseiten, verschlüsselter E-Mails und anderer Datentypen verwendet werden. Dies ändert sich jedoch mit Quantencomputern, die theoretisch alle diese komplexen Probleme mithilfe des Shor-Algorithmus lösen können, wodurch die moderne Verschlüsselung angesichts möglicher Angriffe im Wesentlichen unzureichend wird.

Die Tatsache, dass Quantencomputer alle herkömmlichen digitalen Verschlüsselungen aufheben können, könnte erhebliche Auswirkungen auf die elektronische Privatsphäre und Sicherheit von Bürgern, Regierungen und Unternehmen haben. Ein Quantencomputer könnte einen 3.072-Bit-RSA-Schlüssel, einen 128-Bit-AES-Schlüssel oder einen elliptischen 256-Bit-Kurvenschlüssel effizient knacken, da er ihre Faktoren leicht finden kann, indem er sie im Wesentlichen auf nur 26 Bit reduziert.

Während es selbst mit den leistungsstärksten Supercomputern praktisch unmöglich ist, einen 128-Bit-Schlüssel innerhalb eines realisierbaren Zeitrahmens zu knacken, kann ein 26-Bit-Schlüssel mit einem normalen Heim-PC leicht geknackt werden. Das bedeutet, dass jede Verschlüsselung, die von Banken, Krankenhäusern und Regierungsbehörden verwendet wird, auf Null reduziert wird, wenn böswillige Akteure, einschließlich schurkischer Nationalstaaten, Quantencomputer bauen können, die groß genug und stabil genug sind, um ihre schändlichen Pläne zu unterstützen.

Für die globale digitale Sicherheit ist es jedoch nicht alles Untergang und Finsternis. Bestehende Quantencomputer verfügen nicht über die Rechenleistung, um einen echten kryptografischen Algorithmus zu unterbrechen, sodass Ihre Bankdaten vorerst noch vor Brute-Force-Angriffen geschützt sind. Darüber hinaus wird die gleiche Fähigkeit, die möglicherweise die gesamte moderne Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln dezimieren kann, auch von Wissenschaftlern genutzt, um eine neue, hackfeste „Post-Quanten-Kryptografie“ zu erstellen, die möglicherweise die Landschaft der Datensicherheit in den kommenden Jahren verändern könnte.

Derzeit wird bereits angenommen, dass viele bekannte Verschlüsselungsalgorithmen mit öffentlichem Schlüssel gegen Angriffe durch Quantencomputer geschützt sind. Dazu gehören IEEE Std 1363.1 und OASIS KMIP, die beide bereits quantensichere Algorithmen beschreiben. Unternehmen können potenzielle Angriffe von Quantencomputern auch vermeiden, indem sie auf AES-256 umsteigen, das ein angemessenes Maß an Sicherheit gegen Quantencomputer bietet.

Herausforderungen, die eine Quantenrevolution verhindern

Trotz ihres enormen Potenzials sind Quantencomputer seit Jahrzehnten eine Technologie der nächsten Generation, ohne zu einer tragfähigen Lösung für den allgemeinen Gebrauch überzugehen. Es gibt mehrere Gründe dafür, und die meisten davon zu adressieren, hat sich bisher als jenseits der modernen Technologie erwiesen.

Erstens die meisten Quantencomputer können nur bei einer Temperatur von -273 ° C betrieben werden., ein Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt (0 Grad Kelvin). Als ob das nicht genug wäre, benötigt es nahezu keinen atmosphärischen Druck und muss vom Erdmagnetfeld isoliert werden.

Das Erreichen dieser weltfremden Temperaturen selbst ist zwar eine große Herausforderung, stellt aber auch ein weiteres Problem dar. Die zur Steuerung der Qubits erforderlichen elektronischen Komponenten funktionieren unter solch kühlen Bedingungen nicht und müssen an einem wärmeren Ort aufbewahrt werden. Das Verbinden mit temperaturfesten Verdrahtungen funktioniert für rudimentäre Quantenchips, die heute verwendet werden. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird die Komplexität der Verdrahtung jedoch voraussichtlich zu einer großen Herausforderung.

Alles in allem müssen Wissenschaftler einen Weg finden, Quantencomputer dazu zu bringen, bei vernünftigeren Temperaturen zu arbeiten, um die Technologie für den kommerziellen Einsatz zu skalieren. Zum Glück arbeiten bereits Physiker daran, und im vergangenen Jahr haben zwei Forschergruppen der Universität von New South Wales in Australien und von QuTech in Delft, Niederlande, Artikel veröffentlicht, in denen behauptet wird, Quantencomputer auf Siliziumbasis geschaffen zu haben, die voll funktionsfähig sind Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Für den Rest von uns klingt es nicht viel, aber es wird von Quantenphysikern als großer Durchbruch gefeiert, die glauben, dass es möglicherweise eine neue Ära in der Technologie einläuten könnte. Dies liegt daran, dass die (etwas) wärmere Temperatur es ermöglicht, die Qubits und die Elektronik wie herkömmliche integrierte Schaltkreise miteinander zu verbinden, wodurch sie möglicherweise leistungsfähiger werden.

Leistungsstarke Quantencomputer, die Sie kennen sollten

Neben dem bereits erwähnten 53-Qubit-Sycamore-Prozessor stellte Google auf dem jährlichen Treffen der American Physical Society in Los Angeles im Jahr 2018 einen Gate-basierten Quantenprozessor namens "Bristlecone" vor. Das Unternehmen ist der Ansicht, dass der Chip endlich in der Lage ist, die Leistung zu bringen von Quantencomputern zum Mainstream durch Lösen von "realen Problemen".

IBM stellte 2019 auch seinen ersten Quantencomputer vor, den Q, mit dem Versprechen, "universelle Quantencomputer" zu ermöglichen, die erstmals außerhalb des Forschungslabors betrieben werden können. Es wurde als das weltweit erste integrierte Quantencomputersystem für den kommerziellen Einsatz beschrieben und wurde entwickelt, um Probleme zu lösen, die für klassische Computer in Bereichen wie Finanzdienstleistungen, Pharmazeutika und künstliche Intelligenz unerreichbar sind.

Honeywell International hat auch einen eigenen Quantencomputer angekündigt. Das Unternehmen gab im Juni letzten Jahres bekannt, dass es den "leistungsstärksten Quantencomputer der Welt" entwickelt hat. Mit einem Quantenvolumen von 64 soll der Honeywell-Quantencomputer doppelt so leistungsfähig sein wie sein nächster Konkurrent, was die Technologie aus den Labors bringen könnte, um reale Rechenprobleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern unpraktisch zu lösen sind.

Quantum Computing: Der Beginn einer neuen Ära oder eine Bedrohung für die digitale Privatsphäre?

Der Unterschied zwischen Quantencomputern und herkömmlichen Computern ist so groß, dass erstere die letzteren möglicherweise nicht so schnell ersetzen. Mit einer korrekten Fehlerkorrektur und einer besseren Energieeffizienz könnten wir jedoch hoffentlich in Zukunft eine allgegenwärtigere Verwendung von Quantencomputern sehen. Und wenn dies geschieht, wird es interessant sein zu sehen, ob dies das Ende der digitalen Sicherheit, wie wir sie kennen, bedeuten oder einen neuen Beginn der digitalen Kryptographie einleiten wird.

Erwarten Sie also, dass Quantencomputer bald (relativ) allgegenwärtiger werden? Oder soll es auf absehbare Zeit experimentell bleiben? Lass es uns in den Kommentaren unten wissen. Wenn Sie mehr über Verschlüsselung und Kryptografie erfahren möchten, lesen Sie unsere verlinkten Artikel unten:

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