Der Alptraum der Spione

Die NSA, ihr Wunder-Computer aus Quanten und die Wirklichkeit

Einen "Super-Computer zum Ausspähen" konstruiere die NSA, so Spiegel Online. "Über-Hirn" nannte ihn die FAZ, FOCUS online machte gar einen "Monsterrechner, der droht, die Welt ins Chaos zu stürzen" zur Headline – neue Snowden-Enthüllungen sind doch immer wieder für eine hübsche Überschrift gut. Auch wenn ihr Inhalt letztlich nur verriet, dass der Geheimdienst sich bei der Entwicklung von Quantencomputern gegenüber den Physikern weltweit bisher keinen Vorsprung erarbeiten konnte. Droht der Zusammenbruch der zivilisierten Welt also erst in "ein paar Jahren", wie es die ZEIT gewohnt zurückhaltend formulierte?

Der Leser ahnt es schon - es wird keine Katastrophe geben. Jedenfalls keine größere, als sie etwa der Übergang von Bronze- zu Eisenwerkzeugen oder von der Pferdekutsche zum Automobil hervorgerufen hat. Das hat gleich drei Gründe.

Erstens: Tatsächlich wird sich derzeit keiner der beteiligten Forscher zu irgendeiner Aussage hinreißen lassen, wann Quantencomputer einsatzfähig sein könnten. Die Entwicklung steht hier noch ganz am Anfang. In Ionenfallen, der Technik, die die Quantenphysiker derzeit am besten beherrschen, lassen sich derzeit kaum mehr als zwei Handvoll Quantenbits gemeinsam manipulieren. Dabei freuen sich die Forscher über jedes zusätzliche Atom, das sie der fragilen Anordnung hinzufügen konnten.

Auch bei Quantencomputern aus supraleitenden Stromkreisen stehen die Forscher noch vor mehr Problemen, als sie Lösungen vorzeigen können. Damit ein solcher Rechner aber wirklich mehr leistet als ein gewöhnlicher PC (dessen Kapazität ja auch von Jahr zu Jahr steigt), bräuchte man Systeme mit ein paar Hundert bis zu Millionen Qubits.

Zweitens ist der Quantencomputer zwar enorm leistungsfähig - aber nur, wenn er sich mit den passenden Problemen befasst. Dazu gehört die Primzahlfaktorisierung, die Zerlegung einer Zahl in ein Produkt aus Primzahlen. Genau darauf basieren asymmetrische Verschlüsselungssysteme wie SSL und PGP. Mathematisch lässt sich zeigen, dass der Quanten-Computer bei all den Problemen schneller als ein klassischer Rechner ist, die sich durch Ausprobieren lösen lassen, wobei es keinerlei Hinweise darauf gibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Lösung auftritt. Das perfekte Beispiel dafür ist das Erraten eines Passworts.

Schwierigkeiten mit Problemen der Komplexitätsklasse PSPACE

Es gibt aber auch heute bekannte und gebräuchliche Verschlüsselungsverfahren, gegen die man einen Quantencomputer nicht besonders erfolgreich einsetzen kann. So wurde etwa bereits nachgewiesen, dass er beim oft verwendeten AES-Protokoll lediglich die Schlüssellänge halbiert. Ein aus 256 Bit bestehender Schlüssel ist gegen einen Angriff mit einem Quanten-Computer also genauso effizient wie ein 128 Bit langer Schlüssel gegen einen klassischen Computer.

Generell scheitern Quantencomputer (das vermutet man jedenfalls, der exakte Beweis steht noch aus) an allen Problemen der Komplexitätsklasse PSPACE ein: Sie enthält Probleme, zu deren Lösung man eine polynomial wachsende Speichermenge und exponentiell wachsende Rechenzeit benötigt, etwa eine vollständige Lösung des Schachspiels.

Drittens bieten Quantencomputer nicht nur das Problem, sondern auch die Lösung. Quantenkryptographie, der über spezielle Quanten-Eigenschaften gesicherte Austausch von Schlüsseln, ist, wenn die Randbedingungen korrekt gewählt sind, aus rein physikalischen Gründen absolut sicher. Wir sprechen dabei nicht von der fragwürdigen Sicherheit, die programmierte Systeme, also Software, liefern kann, bei der ebenfalls aus physikalischen Gründen Fehlerfreiheit unmöglich ist.

Ein quantenkryptografisches Netzwerk

Hier ist die Forschung schon ziemlich weit: 2008 etwa stellte ein internationales Team in Wien ein im Rahmen des Projekts SECOQC entwickeltes quantenkryptografisches Netzwerk vor. Es bestand aus sechs Knotenpunkten, die mit acht Links verbunden waren, darunter sieben Glasfaserkabel zwischen 6 und 85 Kilometern Länge sowie eine Sichtverbindung zwischen zwei Teleskopen.

Schon 2005 gelang es Forschern, über eine 144 Kilometer lange Strecke Quantenkryptografie mit verschränkten Photonen zu betreiben. Der Absender, saß dazu auf der Kanareninsel La Palma, der Empfänger auf der Nachbarinsel Teneriffa. Der Versuch zeigte den Forschern, dass im Grunde auch eine quantenkryptografische Kommunikation via Satellit möglich sein müsste.

Das Haupt-Hindernis ist dabei nämlich die Erdatmosphäre, die umso mehr stört, je dichter sie wird. Wenn 144 Kilometer in Erdnähe möglich sind, sollte eine Strecke von etwa 300 Kilometern zu einem künstlichen Trabanten in niedriger Umlaufbahn ebenfalls machbar sein. (Matthias Matting)