Was ist Quantum Computing? Eine einfache Erklärung

Was ist Quantum Computing in einfachen Worten?

Quantum Computing ist die Art und Weise, wie Quantencomputer Berechnungen ausführen. Ein Quantencomputer ist also das Gerät, während Quantum Computing sich auf die Technologie und die Rechenmethode dahinter bezieht.

Ein Quantencomputer funktioniert anders als ein klassischer Computer. Während ein normaler Computer mit Bits arbeitet, die 0 oder 1 sind, verwendet ein Quantencomputer Qubits.

Diese Qubits können Informationen auf eine andere Weise verarbeiten. Dadurch können Quantencomputer einige sehr spezifische Probleme anders angehen als normale Computer. Denk zum Beispiel an das Durchrechnen von Molekülen für die Forschung an neuen Medikamenten und Materialien oder an bestimmte mathematische Probleme, die für klassische Computer sehr viel Rechenleistung erfordern.

Das bedeutet nicht, dass ein Quantencomputer automatisch schneller ist. Für alltägliche Aufgaben wie im Internet surfen, Videotelefonie, Tabellenkalkulationen oder den Betrieb von Servern bleibt ein klassischer Computer deutlich geeigneter.

Quantencomputer werden klassische Computer daher wahrscheinlich nicht ersetzen. In der Praxis werden beide Arten von Computern eher nebeneinander eingesetzt, wobei ein Quantencomputer nur für Probleme genutzt wird, bei denen dieser Ansatz wirklich Vorteile bringen kann.

Wichtigste Erkenntnisse

• Quantum Computing verwendet Qubits statt nur gewöhnlicher Bits.
• Qubits können Eigenschaften wie Superposition und Quantenverschränkung zeigen.
• Ein Quantencomputer ist nicht für jede Aufgabe schneller als ein klassischer Computer.
• Die Technik kann vor allem für bestimmte komplexe Probleme nützlich sein.
• Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer kann langfristig Risiken für Kryptografie und Krypto mit sich bringen.

Wie funktioniert Quantum Computing?

Ein Quantencomputer führt eine Berechnung mit Qubits aus. Zuerst werden diese Qubits in einen bestimmten Anfangszustand gebracht. Danach führt der Computer Operationen auf den Qubits aus und am Ende werden sie gemessen.

Diese Operationen heißen Quanten-Gates oder Gates. Du kannst sie dir als Befehle vorstellen, die den Zustand eines Qubits verändern. Wenn mehrere solcher Befehle hintereinander ausgeführt werden, entsteht ein Quantenalgorithmus.

Während einer Berechnung können Qubits sich auch gegenseitig beeinflussen. Quantenalgorithmen nutzen das, um die Wahrscheinlichkeit bestimmter Ergebnisse zu erhöhen oder zu verringern. Das Ziel ist, dass das gewünschte Ergebnis am Ende häufiger erscheint, wenn die Qubits gemessen werden.

Nach der Messung erhältst du normale Werte zurück, etwa 0 und 1. Ein Quantencomputer gibt also nicht automatisch alle möglichen Antworten gleichzeitig aus. Der Algorithmus muss so aufgebaut sein, dass ein brauchbares Ergebnis eine hohe Wahrscheinlichkeit hat, gemessen zu werden.

Was sind Qubits?

Ein Qubit ist die Basiseinheit, mit der ein Quantencomputer Informationen verarbeitet. Du kannst ein Qubit mit einem Bit in einem normalen Computer vergleichen.

Ein normales Bit ist 0 oder 1. Ein Qubit funktioniert anders. Bevor du es misst, kann sein Zustand so sein, dass sowohl 0 als auch 1 mögliche Ergebnisse sind. Erst wenn du das Qubit misst, siehst du ein Ergebnis: 0 oder 1.

Qubits sind keine gewöhnlichen Computerbauteile. Forschende können sie zum Beispiel mit sehr kleinen elektrischen Schaltkreisen, Atomen, Ionen oder Lichtteilchen herstellen.

Das große Problem ist, dass Qubits sehr empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. Wärme, Vibrationen und elektromagnetisches Rauschen können eine Berechnung stören. Deshalb ist es schwierig, große Quantencomputer zu bauen, die lange genug zuverlässig rechnen können.

Was ist Superposition (superposition)?

Superposition ist die Bezeichnung für das Phänomen, dass ein Qubit vor der Messung nicht einfach fest auf 0 oder 1 steht.

Du kannst es dir als mehrere mögliche Ergebnisse vorstellen, die Teil desselben Quantenzustands sind. Bei der Messung erhältst du am Ende aber nur ein Ergebnis.

Mit zwei Qubits sind zum Beispiel vier Ergebnisse möglich:

• 00
• 01
• 10
• 11

Ein Quantencomputer kann während der Berechnung mit einem Zustand arbeiten, in dem all diese Möglichkeiten eine Rolle spielen. Das bedeutet aber nicht, dass du am Ende alle vier Antworten gleichzeitig auslesen kannst. Nach einer Messung erhältst du ein Ergebnis.

Deshalb muss ein Quantenalgorithmus die Berechnung so steuern, dass ein brauchbares Ergebnis mit größerer Wahrscheinlichkeit gemessen wird.

Beispiel: Stell dir vor, dass zwei Qubits am Ende 00, 01, 10 oder 11 ergeben können. Ein guter Quantenalgorithmus versucht, die Wahrscheinlichkeit des gewünschten Ergebnisses, zum Beispiel 10, so groß wie möglich zu machen.

Was ist Quantenverschränkung (quantum entanglement)?

Bei der Quantenverschränkung sind zwei oder mehr Qubits so miteinander verbunden, dass du ihren Zustand nicht mehr vollständig getrennt voneinander beschreiben kannst.

Stell dir zum Beispiel vor, dass zwei Qubits so verschränkt sind, dass du bei einer Messung immer 00 oder 11 erhältst. Misst du das erste Qubit als 0, dann misst du das andere in diesem Beispiel ebenfalls als 0. Erhältst du 1, dann erhältst du beim anderen auch 1.

Quantencomputer können solche Zusammenhänge während Berechnungen nutzen. Zusammen mit Superposition und anderen Quantenphänomenen ermöglicht das Berechnungen, die anders funktionieren als auf einem klassischen Computer.

Quantenverschränkung bedeutet übrigens nicht, dass du Informationen schneller als Licht übertragen kannst. Du kannst nämlich nicht selbst bestimmen, welches Messergebnis du erhältst.

Was ist der Unterschied zwischen Quantencomputern und klassischen Computern?

Der wichtigste Unterschied ist, dass ein klassischer Computer mit Bits arbeitet, während ein Quantencomputer Qubits verwendet. Ein normales Bit ist 0 oder 1. Ein Qubit folgt den Regeln der Quantenmechanik und kann dadurch Informationen auf eine andere Weise verarbeiten.

Quantencomputer nutzen Phänomene wie Superposition (superposition) und Quantenverschränkung (quantum entanglement). Außerdem arbeiten sie mit speziellen Operationen, die Quanten-Gates oder Gates genannt werden.

Das bedeutet nicht, dass ein Quantencomputer automatisch besser oder schneller ist. Für die meisten alltäglichen Aufgaben sind klassische Computer deutlich geeigneter. Denk an Surfen im Internet, das Verarbeiten von Dateien, Videotelefonie oder den Betrieb von Servern.

Quantencomputer sind vor allem für eine begrenzte Anzahl von Problemen interessant, für die spezielle Quantenalgorithmen existieren.

Ein weiterer Unterschied ist, dass Qubits viel empfindlicher auf Störungen reagieren als normale Bits. Wärme, elektromagnetisches Rauschen und andere Einflüsse aus der Umgebung können Fehler verursachen. Deshalb ist es schwierig, große Quantencomputer zu bauen, die lange genug zuverlässig bleiben.

Auch die Anzahl der Qubits sagt für sich allein noch nicht aus, was ein Quantencomputer leisten kann. Es spielt zum Beispiel auch eine Rolle, wie oft Fehler auftreten, wie gut die Qubits zusammenarbeiten können und wie gut sich diese Fehler korrigieren lassen.

In Zukunft werden Quantencomputer und klassische Computer wahrscheinlich nebeneinander eingesetzt. Ein klassischer Computer kann zum Beispiel die normale Verarbeitung und Steuerung übernehmen, während ein Quantencomputer nur einen bestimmten Teil einer schwierigen Berechnung ausführt.

Wofür kann Quantum Computing verwendet werden?

Quantum Computing kann vor allem für Probleme interessant sein, die für klassische Computer sehr schwierig sind.

Ein wichtiges Beispiel ist die Simulation der Natur selbst. Moleküle und Materialien verhalten sich auf sehr kleiner Skala nach den Regeln der Quantenmechanik. Ein Quantencomputer kann daher theoretisch geeignet sein, solche Systeme nachzubilden.

Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel:

• Forschung an neuen Medikamenten;
• das Entdecken neuer Materialien;
• das Simulieren chemischer Reaktionen;
• bestimmte Planungs- und Optimierungsprobleme;
• bestimmte mathematische und kryptografische Berechnungen.

Bei Optimierung kannst du zum Beispiel an die Suche nach einer guten Route, Produktionsplanung oder logistische Verteilung denken. Dazu wird viel geforscht, aber Quantencomputer haben noch nicht für jede Art von Optimierungsproblem einen nachgewiesenen praktischen Vorteil.

Ein bekanntes Beispiel aus der Mathematik ist Shors Algorithmus. Das ist ein Quantenalgorithmus, mit dem ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer bestimmte mathematische Probleme viel effizienter lösen könnte als bekannte klassische Methoden.

Das ist vor allem für Kryptografie wichtig, weil einige Sicherheitsmethoden gerade darauf beruhen, dass solche Berechnungen für normale Computer extrem schwierig sind.

Viele Anwendungen von Quantum Computing befinden sich noch in der Forschungsphase. Ein Experiment, bei dem ein Quantencomputer eine einzelne Aufgabe besser ausführt, bedeutet also nicht automatisch, dass diese Technologie schon direkt für Unternehmen oder Verbraucher nutzbar ist.

Welche Auswirkungen hat Quantum Computing auf Kryptografie?

Quantum Computing kann in Zukunft Folgen für bestimmte Formen der Kryptografie haben.

Vor allem die Public-Key-Kryptografie ist wichtig. Dabei hast du einen öffentlichen Schlüssel, den du mit anderen teilen kannst, und einen privaten Schlüssel, der geheim bleiben muss.

Die Sicherheit solcher Systeme basiert auf mathematischen Problemen, die für normale Computer praktisch nicht in einer brauchbaren Zeit zu lösen sind.

Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer könnte einige dieser Probleme mit Shors Algorithmus viel effizienter lösen. Dadurch können bestimmte Formen von Verschlüsselung und digitalen Signaturen angreifbar werden.

Das kann auf zwei Arten Folgen haben.

Bei der Verschlüsselung könnte jemand möglicherweise Informationen entschlüsseln, die geheim bleiben sollten.

Bei digitalen Signaturen könnte jemand möglicherweise eine gültige Signatur nachahmen, ohne den echten privaten Schlüssel zu besitzen.

Nicht alle Kryptografie ist auf die gleiche Weise betroffen. Symmetrische Verschlüsselung und Hashfunktionen werden nicht auf dieselbe grundlegende Weise von Shors Algorithmus angegriffen.

Für solche Systeme ist vor allem Grovers Algorithmus relevant. Er kann bestimmte Suchprobleme theoretisch beschleunigen, sodass eine größere Sicherheitsmarge nötig sein kann.

Derzeit gibt es noch keinen Quantencomputer, der weit verbreitete Kryptografie in großem Maßstab praktisch brechen kann.

Trotzdem gibt es schon jetzt ein Risiko für Informationen, die über viele Jahre geheim bleiben müssen. Ein Angreifer kann verschlüsselte Daten heute speichern und hoffen, sie später mit einem leistungsfähigeren Quantencomputer zu entschlüsseln. Das wird harvest now, decrypt later genannt.

Welche kryptografischen Methoden können angreifbar werden?

Vor allem Kryptografie, die auf Faktorisierung oder dem diskreten Logarithmusproblem beruht, kann für einen ausreichend leistungsfähigen Quantencomputer angreifbar werden.

RSA ist dafür ein bekanntes Beispiel. Die Sicherheit von RSA beruht darauf, dass es für normale Computer sehr schwierig ist, sehr große Zahlen in ihre Faktoren zu zerlegen.

Auch Diffie-Hellman, ECDH, DSA, ECDSA und Schnorr-Signaturen können angreifbar werden.

Viele dieser Techniken verwenden das diskrete Logarithmusproblem. Das ist ein mathematisches Problem, das für klassische Computer schwierig ist, für das Shors Algorithmus aber einen viel effizienteren Ansatz bietet.

Für Krypto ist vor allem elliptische-Kurven-Kryptografie, abgekürzt ECC, wichtig. Viele Blockchains verwenden ECC, um digitale Signaturen zu erstellen.

Mit so einer Signatur beweist du, dass du eine Transaktion ausführen darfst, ohne deinen privaten Schlüssel öffentlich preiszugeben.

Wenn ein zukünftiger Quantencomputer aus einem öffentlichen Schlüssel den dazugehörigen privaten Schlüssel berechnen könnte, könnte ein Angreifer möglicherweise auch gültige Signaturen nachahmen.

Andere Techniken wie AES und Hashfunktionen werden anders betroffen. Grovers Algorithmus kann bestimmte Suchvorgänge beschleunigen, bricht diese Techniken aber nicht auf dieselbe Weise, wie Shors Algorithmus RSA und ECC angreifen kann.

Was sind die Grenzen von Quantum Computing?

Quantencomputer haben noch große technische Grenzen.

Ein wichtiges Problem ist, dass Qubits sehr empfindlich auf Störungen reagieren. Wärme, elektromagnetische Strahlung und anderes Rauschen können den Quantenzustand verändern.

Der Verlust des gewünschten Quantenzustands wird Dekohärenz (decoherence) genannt.

Wenn während einer Berechnung zu viele Fehler entstehen, ist das Ergebnis nicht mehr zuverlässig. Deshalb ist Quantenfehlerkorrektur wichtig.

Dabei werden mehrere physische Qubits verwendet, um gemeinsam ein zuverlässigeres logisches Qubit zu bilden.

Das bedeutet, dass ein Quantencomputer mit vielen physischen Qubits am Ende deutlich weniger nutzbare logische Qubits haben kann.

Auch die Skalierbarkeit ist schwierig. Es reicht nicht aus, einfach immer mehr Qubits zu bauen. Sie müssen auch gut gesteuert werden, miteinander zusammenarbeiten können und ausreichend lange zuverlässig bleiben.

Außerdem bringt Quantum Computing nicht für jedes Problem einen Vorteil. Es muss einen Quantenalgorithmus geben, der das Problem auf eine nützliche Weise angehen kann.

Quantencomputer sind also kein allgemeiner Ersatz für klassische Computer. Sie sind vor allem für bestimmte Arten von Berechnungen gedacht.

Welche Risiken bringt Quantum Computing für Krypto mit sich?

Für Krypto liegt ein wichtiges Quantenrisiko bei digitalen Signaturen.

Viele Blockchains verwenden einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel. Den privaten Schlüssel verwendest du, um Transaktionen zu signieren. Der öffentliche Schlüssel kann genutzt werden, um diese Signatur zu überprüfen.

Ein zukünftiger leistungsfähiger Quantencomputer kann bei einigen kryptografischen Systemen möglicherweise aus dem öffentlichen Schlüssel den dazugehörigen privaten Schlüssel berechnen.

Ein Angreifer könnte dann möglicherweise selbst gültige Signaturen erstellen und Krypto ohne Zustimmung des echten Eigentümers verschieben.

Wie groß dieses Risiko genau ist, hängt von der jeweiligen Blockchain ab.

Es hängt zum Beispiel davon ab:

• welche Kryptografie die Blockchain verwendet;
• wann ein öffentlicher Schlüssel sichtbar wird;
• wie Nutzer ihre Crypto Wallet verwenden;
• wie leicht sich das Protokoll anpassen lässt.

Auch der Übergang zu neuer Sicherheit kann Risiken mit sich bringen.

Nicht nur die Blockchain selbst muss neue Kryptografie unterstützen. Auch Wallets, Crypto Exchanges, Verwahrungslösungen und andere Software müssen rechtzeitig angepasst werden.

Neue Post-Quantum-Signaturen können außerdem größer sein als heutige Signaturen. Das kann Auswirkungen auf Transaktionsgröße, Speicherbedarf, Bandbreite, Verarbeitungszeit und Gebühren haben.

Auch Systeme außerhalb der Blockchain können betroffen sein. Denk an verschlüsselte Kommunikation, gespeicherte Daten oder andere Teile der Infrastruktur rund um Krypto.

Dort kann harvest now, decrypt later sogar früher zum Problem werden als auf der Blockchain selbst.

Kann Quantum Computing Bitcoin knacken?

Nicht mit den Quantencomputern, die es heute gibt.

Um Bitcoin praktisch mit Quantum Computing anzugreifen, ist ein viel leistungsfähigerer und fehlertoleranter Quantencomputer nötig. Ein solches System existiert derzeit nicht, und es ist nicht bekannt, wann sich das ändert.

Bitcoin verwendet elliptische-Kurven-Kryptografie für digitale Signaturen.

Traditionelle Bitcoin-Transaktionen verwenden ECDSA mit der secp256k1-Kurve. Seit dem Taproot-Upgrade unterstützt Bitcoin auch Schnorr-Signaturen.

Beide Techniken können theoretisch anfällig für Shors Algorithmus werden.

Ein wichtiges Detail ist, wann der öffentliche Schlüssel sichtbar wird.

Bei bestimmten Bitcoin-Adressen steht zunächst nur ein Hash des öffentlichen Schlüssels auf der Blockchain. Wenn du die Bitcoin ausgibst, wird der vollständige öffentliche Schlüssel sichtbar.

Das bedeutet, dass das Risiko nicht für jede Bitcoin auf exakt dieselbe Weise funktioniert.

Es ist daher zu einfach zu sagen, dass ein Quantencomputer bald automatisch "Bitcoin knacken" kann.

Ein Angriff hängt unter anderem davon ab, wie leistungsfähig der Quantencomputer ist, welche öffentlichen Schlüssel sichtbar sind, wie schnell so ein Angriff ausgeführt werden kann und wie das Bitcoin-Netzwerk darauf reagiert.

Hashfunktionen wie SHA-256 werden ebenfalls nicht auf dieselbe Weise betroffen wie digitale Signaturen.

Grovers Algorithmus kann bestimmte Angriffe theoretisch beschleunigen, aber das ist ein anderes Risiko als der Angriff von Shors Algorithmus auf die elliptische-Kurven-Kryptografie.

Wie können sich Blockchains gegen Quantencomputer schützen?

Die wichtigste Lösung ist, anfällige Kryptografie durch Kryptografie zu ersetzen, die gegen Quantenangriffe bestehen soll.

Das nennt man Post-Quantum-Kryptografie (post-quantum cryptography).

Für Blockchains bedeutet das zum Beispiel, dass neue Arten von Adressen und digitalen Signaturen hinzugefügt werden können.

Nutzer können ihre Krypto dann auf Adressen verschieben, die diese neue Sicherheit verwenden.

Ein wichtiger Begriff dabei ist Crypto-Agilität. Damit ist gemeint, dass ein System seine kryptografische Sicherheit ersetzen kann, wenn das nötig ist.

Das ist für eine Blockchain nicht einfach. Das Protokoll muss angepasst werden, und Wallets, Exchanges und andere Software müssen die neuen Regeln unterstützen.

Auch bestehende Nutzer müssen die Möglichkeit haben, ihre Krypto sicher zu verschieben.

Für Bitcoin kann es außerdem helfen, Adressen und öffentliche Schlüssel nicht unnötig erneut zu verwenden. Dadurch bleibt ein öffentlicher Schlüssel weniger lange sichtbar.

Das ist allerdings keine vollständige Lösung. Wenn eine Transaktion ausgegeben wird, kann der öffentliche Schlüssel trotzdem sichtbar werden.

Deshalb gibt es auch Vorschläge, Bitcoin besser auf eine mögliche Quantenbedrohung vorzubereiten.

Ein Beispiel ist Pay-to-Merkle-Root, abgekürzt P2MR. Dieser Vorschlag soll die langfristige Exposition bestimmter öffentlicher Schlüssel begrenzen.

Derzeit ist das nur ein Vorschlag und keine aktive Bitcoin-Regel.

Für einen vollständigen Schutz wären letztlich auch digitale Signaturen nötig, die bekannten Quantenangriffen standhalten.

Was ist Post-Quantum-Kryptografie?

Post-Quantum-Kryptografie (post-quantum cryptography), oft abgekürzt als PQC, ist Kryptografie, die so entworfen wurde, dass sie gegen bekannte Angriffe von klassischen und Quantencomputern bestehen soll.

PQC läuft ganz normal auf herkömmlichen Computern. Du brauchst also keinen Quantencomputer, um Post-Quantum-Kryptografie zu verwenden.

Das ist etwas anderes als Quantenkryptografie (quantum cryptography). Dabei werden Eigenschaften der Quantenphysik selbst genutzt, zum Beispiel um Schlüssel auszutauschen.

Bei der Post-Quantum-Kryptografie wird dagegen neue Mathematik verwendet, um bestehende Computer besser gegen zukünftige Quantenangriffe zu schützen.

Im Jahr 2024 wurden die ersten wichtigen Post-Quantum-Standards veröffentlicht.

Dazu gehören:

• ML-KEM für den sicheren Austausch oder die Vereinbarung geheimer Schlüssel;
• ML-DSA für digitale Signaturen;
• SLH-DSA für digitale Signaturen auf Basis von Hashfunktionen.

Diese Methoden verwenden andere mathematische Probleme als RSA und elliptische-Kurven-Kryptografie.

Post-Quantum bedeutet nicht, dass solche Kryptografie für immer unknackbar ist. Kryptografische Techniken werden weiterhin untersucht und getestet.

Für Blockchains liegt die Herausforderung außerdem nicht nur in der Wahl eines neuen Algorithmus. Auch Transaktionsgröße, Verifizierungskosten, Wallets, Schlüsselverwaltung und die Kompatibilität mit bestehenden Systemen spielen eine Rolle.

Fazit

Quantum Computing verwendet Qubits, um bestimmte Berechnungen anders auszuführen als ein klassischer Computer. Das kann vor allem für spezifische schwierige Probleme nützlich sein, etwa für die Simulation von Molekülen und bestimmte mathematische Berechnungen. Für normale Computeraufgaben bleibt ein klassischer Computer deutlich geeigneter.

Für Krypto ist vor allem wichtig, dass zukünftige Quantencomputer einige Formen der Kryptografie schwächen können. Das kann Folgen für die Sicherheit von privaten Schlüsseln und digitalen Signaturen haben. Die Quantencomputer von heute sind noch lange nicht leistungsfähig genug, um Bitcoin oder weit verbreitete Kryptografie praktisch zu knacken.

Trotzdem wird schon jetzt an Schutzmaßnahmen gegen zukünftige Quantenangriffe gearbeitet. Eine wichtige Lösung ist die Post-Quantum-Kryptografie. Für Blockchains bedeutet so ein Übergang, dass Protokolle, Wallets und andere Systeme rechtzeitig angepasst werden müssen und gut miteinander zusammenarbeiten müssen.