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Keine Gefahr für aktuelle Verschlüsselung Der Quantencomputer ist auch für die NSA noch nicht in Reichweite

Autor / Redakteur: Peter Koller / Peter Schmitz

Steht die NSA schon kurz vor der Entwicklung eines Quantencomputers, mit dem sich jede Verschlüsselung in kürzester Zeit knacken lässt? Deutsche Experten geben Entwarnung.

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Christoph Becher ist einer von fünf Quantenphysikern an der Saar-Uni, die den Stand der Technik in Sachen Quantencomputer beurteilen können.
Christoph Becher ist einer von fünf Quantenphysikern an der Saar-Uni, die den Stand der Technik in Sachen Quantencomputer beurteilen können.
(Oliver Dietze)

Medien berichteten kürzlich unter Berufung auf die Snowden-Unterlagen über die Entwicklung eines Supercomputers auf Grundlage der Quantentechnologie, mit dem der US-Geheimdienst NSA sämtliche Kommunikation der Welt mitlesen könnte, egal, wie gut sie auch verschlüsselt wäre. Saarbrücker Physiker sehen für solche Bedenken derzeit keine Grundlage. „Es ist nichts bekannt geworden, was solche Befürchtungen auslösen sollte“, sagt Jürgen Eschner.

Der Professor für Quanten-Photonik ist einer von fünf Experten an der Saar, die sich im Schwerpunkt Quantenoptik und -information um die Welt der kleinsten Teilchen kümmern. Damit ist Saarbrücken einer der wenigen Orte bundesweit, die sich in dieser intensiven Weise dem Thema widmen.

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Hintergrund Quantentechnologie

Zugrundeliegendes Prinzip der Quantentechnologie ist, dass ein Teilchen (z.B. ein Atom, Elektron, Lichtteilchen) zwei Zustände gleichzeitig einnehmen kann. Diese Zustände nennt man auch Überlagerungszustände.

Auf die Computertechnologie übertragen bedeutet das, dass die Bits, aus denen eine Information auf einem normalen Computer besteht, die Zustände 1 oder 0 haben können, auf einem Quantencomputer hingegen die Zustände 1 und 0 gleichzeitig, in jeder beliebigen Kombination. Solche Quantenbits oder Qubits sind die Grundlage eines Quantencomputers.

Rechnen kann man beispielsweise mithilfe von Atomen als Speichereinheit, indem man sie mit Laserlicht anregt und ihren Quantenzustand gezielt manipuliert. Eine Rechenoperation kann nun auf beiden Anteilen des Überlagerungszustandes (1 und 0) gleichzeitig oder parallel stattfinden. Ein Quantencomputer kann in derselben Zeit, in der ein herkömmlicher 32-Bit-Rechner einen seiner 232 möglichen Zustände verarbeitet, parallel alle diese Zustände verarbeiten.

Der Quantencomputer rechnet also um ein Vielfaches schneller als ein normaler Computer. Diese hohe Rechenleistung lässt sich allerdings nur für spezielle Probleme ausnutzen, für die Rechenvorschriften (Algorithmen) entwickelt wurden.

Bei vielen der Überlagerungszustände befinden sich die Quantenbits in einem „verschränkten Zustand“, d.h. sie lassen sich als Ganzes, nicht aber mehr als unabhängige Teilchen beschreiben. Sowohl verschränkte Zustände als auch Überlagerungszustände sind allerdings sehr empfindlich auf jede Wechselwirkung mit ihrer Umgebung und verlieren schnell ihren Quantencharakter.

Für einen Quantencomputer bedeutet dies, dass man großen Aufwand für die Abschirmung von Umwelteinflüssen treiben muss – ein anderes Gebiet der Quantentechnologien nutzt aber genau diese Tatsache aus: in der Quantenkommunikation können geheime Nachrichten in verschränkten oder Überlagerungszuständen kodiert werden. Versucht ein Spion Kenntnis der Nachricht zu erhalten, zerstört er den Quantenzustand und der Abhörversuch fliegt auf.

„Das heute gängigste Verschlüsselungsverfahren, die RSA-Kryptografie, basiert auf der Multiplikation zweier Primzahlen. Das ist eine Rechenaufgabe, die sehr leicht durchzuführen ist, aber sehr schwer umzukehren ist“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch, Professor für Quanten- und Festkörpertheorie an der Saar-Uni.

„Wenn man zum Verschlüsseln beispielsweise eine 100-stellige Zahl als Produkt zweier Primzahlen erhält und ein Codeknacker eine Stunde mit einem herkömmlichen Supercomputer braucht, um die Zahl in ihre beiden Primfaktoren zu zerlegen, so braucht er bei einer 101-stelligen Zahl bereits 1000 Stunden und bei einer 102-stelligen Zahl bereits eine Million Stunden. Das bedeutet also: Der Codierer gewinnt das Wettrüsten.“

Sein Kollege Christoph Becher, Professor für Quantenoptik, erklärt, worin vor diesem Hintergrund theoretisch die Gefahr eines Quantencomputers liegt: „Für einen Quantencomputer existiert – auf dem Papier – ein Algorithmus, der diese Primfaktorzerlegung effizienter und damit in kürzerer Zeit als ein herkömmlicher Computer erledigen kann.“ Auch wenn man die Zahl um ein paar Stellen länger machte, dauerte es nur wenig länger, bis ein serienreifer Quantencomputer die Verschlüsselung geknackt hätte.

Es gibt allerdings zwei Gründe, weshalb die Saarbrücker Experten solche Erwartungen an einen Quanten-Supercomputer für übertrieben halten: „Der größte Quantencomputer, den es bisher gibt, umfasst gerade einmal 14 Quanten-Bits, und die größte Primzahlfaktorisierung, die man bislang mit einem Quantencomputer berechnen konnte, ist 15 = 3*5. Anders gesagt: Mit Papier und Bleistift könnte man Codes derzeit noch deutlich besser brechen als mit der Quantentechnologie“, sagt Frank Wilhelm-Mauch.

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