Quantencomputer: Gefahr für Blockchains?

Aktualisiert: 7. März 2022 Wissen

Quantencomputer werden kommen, – das ist ganz sicher! Doch wie sieht es mit der Blockchain-Technologie aus? Experten erwarten schon länger eine exponentielle Leistungssteigerung bei den Computersystemen, denn dank IoT, DLT und Blockchain sind herkömmliche Computer bereits an den Grenzen des technisch machbaren angelangt. Was sind Quantencomputer aber überhaupt und wie hängt das mit der Technologie der verteilten Ledger auf Blockchains zusammen? Wir klären auf!

Quantencomputern gehört die Zukunft

Jeder von uns kennt das Problem: Der Laptop ist nicht so schnell bei der Sache, wie die Tasks darauf eigentlich erledigt werden müssten. Auf der Arbeit ist die Software veraltet, Anwendungen dauern überdurchschnittlich lange oder gehen überhaupt nicht. Systeme untereinander können nicht miteinander kommunizieren und interagieren, es mangelt an Schnittstellen und Infrastruktur. Die Digitalisierung ist in vollem Gange, Zeit für einen Blick auf Computer der Zukunft: Quantencomputer.

Ein klassischer Computer arbeitet mit 1 und 0, genauer gesagt mit Bits und dem Binärsystem. Es gibt nur diese beiden Zustände und eine begrenzte Anzahl von Möglichkeiten, aus diesen beiden Zahlen Befehle für Computer zu generieren. Quantencomputer heben sich in vielerlei Aspekten von klassischen Computern ab, denn sie basieren nicht auf physikalischen oder informationstechnischen Gesetzen, sondern auf Basis von quantenmechanischen Zuständen. Neben Quantencomputern findet sich auch immer häufig der Begriff der Quanten-Kommunikation in Fachkreisen.

Anders als bisherige Systeme und ihre Nullen und Einsen können Quantencomputer eine unendlich lange Kette von Programmierzeichen, – den Code, generieren. Die Bundesregierung spricht hier von einer Quantentechnologie der zweiten Generation und erklärt die Quantenwelt folgendermaßen:

Binäres System nicht für IoT geeignet

Heutige Computer haben zu jedem Zeitpunkt immer nur einen einzigen Wert: 0 oder 1. Bei digitalen Rechnern haben allerdings selbst die kleinsten Recheneinheiten die Möglichkeit, mehrere Wert anzunehmen. Dieser Quanteneffekt wird als Verschränkung bezeichnet. Gehen wir ins Fahrzeug und die Mobilität der Zukunft, dann kann der Motor entweder an oder aus sein.

Nehmen wir jetzt aber autonomes Fahren hinzu, dann muss der Sensor, der den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug permanent überwacht, im Notfall auch die Bremse auslösen. Ein dritter Teilnehmer kommt ins Netzwerk dazu und Null und Eins reichen nicht mehr aus, um die Kommunikation mit mehr als 2 Geräten gleichzeitig aufrecht zu erhalten.

Quantencomputer rechnen deutlich schneller und übertreffen die technischen Möglichkeiten, wie wir sie heute kennen, bereits heute deutlich. Gehen wir davon aus, dass ein Quantencomputer das zentrale Kernelement einer vernetzten Welt aus Geräten und Anwendungen darstellt, dann wird das Herzstück als Quantenwelt bezeichnet.

Dort sind basierend auf speziellen Verhalten von Elementarteilchen höchste Rechenleistungen möglichen und ultraschnelle Kommunikationen. Komplexe Systeme, eben mehr als nur 2 Endgeräte, können genutzt und integriert werden.

Qubits könnten für Krypographie gefährlich werden

Die sogenannten Qubits können sich für eine bestimmte Zeitspanne auch in einem Zwischenzustand aus Null und Eins befinden. Eine Art „Vielleicht“. Dieser Zustand wird als Superposition bezeichnet und geht durch eine Messung danach in einen der beiden klar definierten Zustände Null oder Eins über. Das Messergebnis beispielsweise geht so am Ende in einen klassischen Bit über. Dieser Vorgang wird als Dekohärenz oder Verlust der Superposition bezeichnet.

Qubits werden in Laboren aus Ionen und supraleitenden Schleifen, den sogenannten SQuids hergestellt. Für das Lösen von komplexe Rechenoperationen benötigt das System mehrere Qubits und dies wird als Quantenregister bezeichnet. Ziel bei der Entwicklung ist es, dass sich Qubits möglichst lange dem jeweiligen Zustand befinden müssen, damit die Rechenoperation in der Zwischenzeit, die ja häufig sehr komplex und verschlüsselt sein kann, durchgeführt wird.

In der Regel werden 14 Qubits auf einem Qubitregister zusammengefasst. Allerdings gibt es bereits das IBM Q Systems One mit 20 Qubits und den Google Supercomputer mit unglaublicher Leistung von 50 Qubits.

Kohärenzzeit ist die Zeit, die ein Qubit in einem Zwischenzustand aus 0 und 1 bleiben kann. Sie ist wichtig und umso länger dies möglich ist, umso mehr oder komplexe Rechenaufgaben können gelöst werden. Im autonom fahrenden Fahrzeug ist dies beispielsweise der „vielleicht ist der Schatten vor mir ein Reh auf der Straße“- Zustand.

Der Sensor erkennt etwas, braucht aber noch etwas Zeit, um mit mathematischen Algorithmen und Daten aus dem IoT zu beschließen, dass kein Reh also 0, oder doch ein Reh also 1, meldet.

Quantencomputer vs Verschlüsselungen

Im Grunde befinden sich im autonomen Fahrzeug Unmengen von Geräten in einem „Vielleicht-“Zustand und Prozessoren im Hintergrund rechnen ständig nach, ob dies oder jenes ein Hindernis sein könnte und wenn ja, welche Handlungen dann zu folgen haben. Ein herkömmlicher Computer wäre hier mit Reh= Ja oder Reh= Nein nicht einzusetzen, denn er diese Situationen nicht permanent analysieren und bewerten kann.

Superposition ist der Zustand der Qubits in dieser Zwischenphase. Sie ist eine wichtige Kennzahl für Forscher und Entwickler von Qubits und Quantencomputern und Maßstab für die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeit der Quantencomputer für bestimmte Szenarien und Lösungen. Superposition erlaubt dem Ion im Qubit, dass es nicht entweder/oder sein muss, sondern auch ein Zustand aus einem zweidimensionalen komplexen Raum einnehmen darf.

Dekohärenz bedeutet, dass der Qubic seine Information verarbeitet hat und diese jetzt in Form von Ja=0 oder Nein=1 (Im Falle des oben erwähnten Beispiels) an den Prozessor meldet. Ein Qubit verarbeitet dann am Ende die Information so, dass sie wieder über 0 und 1 auslesbar ist.

Beim herkömmlichen Binärsystem wird über Strom ein Zustand ausgelöst. Deswegen brauchen wir im Alltag für jedes Gerät einen Akku oder die Steckdose. Die physikalischen Gesetze, die hier im Einsatz sind, können solch komplexe Vorgänge wie oben erklärt, jedoch nicht über mehr als 2 Zustände hinweg auslösen. Hier kommen nun Qubits zum Einsatz, denn sie arbeiten mit Ionen und Atomen. Ein angeregtes Ion entspricht dem Zustand 1 und ein nicht angeregtes Ion dem Zustand 0.

Ultraschnelle Laser erzeugen Zwischenzustand

Das Anregen erfolgt mittels Laser und damit Energie. Die Bestrahlung kann unfassbar schnell vonstatten gehen und dauert nur etwa 10 Mikrosekunden. Veränder ich jetzt die Dauer der Bestrahlung mit dem Laser, dann erreiche ich mit nur 5 Mikrosekunden den „Vielleicht“-Zwischenstand. Das Ion ist zu 50% angeregt und zu 50% nicht.

Um jetzt das Ergebnis auslösen zu können, wird ein weiterer Laserpuls auf die Ionen geschossen. Seine Wellenlänge ist allerdings anders berechnet und es entsteht eine Fluoreszenz. (Holografie ist ebenfalls eine solche Anwendung aus der Quantenphysik und erlaubt das Betrachten von Bildern abseits herkömmlicher Optik)

Die Ionen teilen nun durch Leuchten mit, in welchem Zustand sie sich gerade befinden und der Computer kann mittels mathematischer Algorithmen die Werte errechnen.

Wichtig ist bei der Quantentechnologie jedoch nicht die Wahrscheinlichkeit, mit welcher sich ein Qubit in diesem oder jenem Zustand befindet. Vielmehr geht es um die Tatsache, dass die beiden Basiszustände überlagert stattfinden können. Die kohärente Überlagerung von verschiedenen Basiszuständen ist die relative Phase zwischen den verschiedenen Komponenten/Geräten im Netzwerk.

Auch Quantencomputer kommen an ihre Grenzen

Bei der Umsetzung von Quantencomputern gibt es aber auch physikalische Einschränkungen zu beachten. Daher ist die Realisierung dieser Computer eine hochkomplexe Angelegenheit. Mögliche Probleme sind der Energieaustausch mit der Umgebung und daraus resultierend das Umspringen eines Ions von einem in den anderen Zustand.

Quantencomputer sind bisher in ihrer Architektur nicht skalierbar und weisen auf Grund weiterer Gesetze auch Fehlerraten auf. Auch ist zu beachten, dass ein Quantencomputer keine neuen Probleme lösen kann, er kann lediglich komplexe Probleme deutlich schneller lösen als heutige Systeme. Ein skalierbarer, fehlertoleranter Quantencomputer ist also das Ziel der Wissenschaftler und erklärt das emsige Bemühen einiger großer Unternehmen der Welt, um seine Entwicklung.

Skalierbarkeit ist derzeit das wohl größte Problem. Denn die Anzahl der Qubits ist begrenzt, auch wenn es schon erste Ansätze für Systeme mit bis zu 70 Qubits gibt. Es gibt aber eine Schwelle für fehlerfreies Arbeiten in der Anzahl der Qubits.

Diese Quantencomputer gibt es bisher

Derzeit ist die Forschung also mit der Suche nach einer solchen fehlertoleranten und skalierbaren Architektur beschäftigt. Wobei auch die Zeit für das Erhalten des Zwischenzustandes und die Anzahl der Qubits weitere Meilensteine in der Entwicklung sind. Realisiert wurden bisher:

Google Sycamore mit 53 Qubits und Google Bristlecone mit 72 Qubits und niedriger Fehlerquote. Das Unternehmen schätzt, dass zur Demonstration der Theorie von John Preskill, Quantum Supremacy, mindestens 49 Qubits, eine Schaltkreistiefe von über 40 und eine Fehlerrate unter einem halben Prozent erforderlich seien.
Quantum Supremacy sagt aus, dass ein Quantencomputer einem klassischen Supercomputer überlegen ist. Während es 2019 die Meldung von Google gab, diesen Nachweis erbracht zu haben, bezweifelt IBM das Ergebnis von nur 200 Sekunden im Gegensatz zum modernsten Supercomputer Summit, der dafür angeblich etwa 10.000 Jahre gebraucht hätte, an.
Microsoft konzentriert sich auf die Entwicklung theoretischer Arbeiten, bei denen ein Quanten-Simulator auf einem klassischen Computer angewendet werden kann.
Bei IBM gibt es einen Online-Zugriff auf den im Unternehmen entwickelten supraleitbasierten Quantenprozessor Q Experience mit jetzt 20 Qubits. Im Labor gibt es auch eine 50-Qubit-Maschine, die den Quantenzustand für 90 Mikrosekunden halten kann, was 2017 der Rekord war. Der gläserne Kasten des Q Experience mit rund 2,5 Meter Länge und Breite steht nicht zum Verkauf und soll ausschließlich ausgewählten Nutzern per Cloud zu Forschungszwecken bereitstehen. Das IBM Q System One wurde nach eigenen Angaben 75 Mikrosekunden im präparierten Zustand gehalten. Es soll 2021 in Betrieb gehen und steht derzeit in einem Rechenzentrum von IBM in Stuttgart. Das Projekt wurde unter dem Dach der Fraunhofer-Gesellschaft ins Leben gerufen und unter ihrem bundesweiten Kompetenznetzwerk soll es als Basis für Anwendungsszenarien und zur Erforschung von Algorithmen dienen.

Post-Quanten-Kryptografie in der Forschung

Können Quantencomputer die komplexen Aufgaben rund um die Hashes der Blocks lösen?. Und damit die bisher so gepriesene Sicherheit der Datenketten in Frage stellen könnte. Die Wissenschaft hat die Gefahren von Quantencomputern für Kryptographie bereits erkannt. Es gibt seit kurzem eine entsprechende Forschungsmaßnahme unter dem Titel der sogenannten Post-Quanten-Kryptografie.

Damit wäre es auch unter Verwendung von Quantencomputern nicht möglich, kryptografisch verschlüsselte Transaktionen zu entschlüsseln. Was würde also passieren, wenn plötzlich das Schürfen von neuen Bitcoins nicht Stunden in Anspruch nehmen würde, sondern innerhalb von 2 Sekunden alle verbleibenden Bitcoin durch einen Quantencomputer geschürft wären? Das bedeutet immerhin noch rund 3 Millionen BTC, die im Handumdrehen abgebaut wären und aktuelle Miner keine Chance mehr hätten.

Die Post-Quantum-Kryptografie ist bereits in vielen Szenarien enthalten und erste Anbieter haben offensichtlich Lösungen entwickelt. Mit Hardware-Sicherheitsmodulen HSM soll verhindert werden, dass Private Keys innerhalb von Millisekunden entschlüsselt sind. Ein HSM hat etwa die Größe einer Grafikkarte und ist mit verschiedenen Sicherheitsmechanismen geschützt.

Auch Tesla nutzt HSM-Technologie

Tesla setzt derzeit die Verifikation von Software-Updates mittels solcher HSM-Technologie ein. Man darf in Zukunft nicht mehr auf reine Software-Sicherheit vertrauen. So taucht bisher ein Schlüssel im laufenden Betrieb als Plaintext im Arbeitsspeicher von Devices auf. Und dieser Sicherheitsstandard ist unter der Quantentechnologie nicht mehr ausreichend.

Mit Block-safe bringen wir ein Produkt auf den Markt, das nicht nur für Blockchain-Anwendungen entwickelt wurde, sondern auch die nötige Krypto-Agilität mitbringt, um der Gefahr durch Quantencomputer zu begegnen, die in der Lage sind, die aktuellen Verschlüsselungsverfahren auszuhebeln, Malte Pollmann, Chief Strategy Officer von Utimaco. Quelle

Bei der Kryptographie wird mit symmetrischer Verschlüsselung gearbeitet, bei der ein Schlüssel für die Ver- und Entschlüsselung notwendig ist. Jedoch wird ein privater Schlüssel benötigt, um den öffentlichen Schlüssel zu entschlüsseln. Es geht jetzt in der Forschung darum, Algorithmen zu finden, die der sogenannten Post-Quantum-Kryptografie standhalten können. Denn laut Experten sei es ab etwas 70 Qubits möglich, die gängigen Verschlüsselungsalgorithmen, auch auf Blockchains wie Bitcoin und Co., zu knacken. Die gesamte Branche steht daher unter enormen Zeitdruck.

Dass Quantencomputer eine exponentielle Anzahl von verschiedenen Zuständen haben können bereitet auch der Kryptobranche Kopfzerbrechen. Ein Quantencomputer mit 4 Bits kann 4 x 4 verschiedene Zustände annehmen. Mit 50 Qubits wären dann schon 2 hoch 50, also eine Zahl mit 16 Stellen, an Zuständen möglich. Damit sind die üblich verwendeten Krypto-Verschlüsselungen der Branche leicht zu knacken.

IOTA-Tangle bereits quantensicher

IOTA verwendet aktuell bereits einen Algorithmus, der für Quantencomputer ausgelegt ist, also Sicherheit bieten soll. Dazu bedarf es einer einmalig verwendeten Signatur im Protokoll, die auf Basis der „Winternitz-one-time-signatur“ (W-OTS) in Verbindung mit dem gehasten privaten Schlüssel des Nutzers quantensicher sein sollen. Ein Nebeneffekt ist, dass die Verschlüsselung den IOTA-Tangle auch noch schneller macht und das Signieren und Überprüfen von Transaktionen damit einfacher abläuft.

Allerdings bedarf es bei diesen Einmal-Signaturen eines ebenfalls einzigartigen und nur einmal verwendeten Privaten Schlüssel des Nutzers. IOTA gewährt seinen Nutzern die hohe Sicherheit nur bei der Trinity-Wallet. Allerdings gab es hier gerade einen großen Hacker-Angriff, was Zweifel an der Aussage aufkommen lässt.

Bei Ethereum sieht man die Sache mit den Quantencomputer entspannter und so geht der Mitbegründer Charles Hoskinson derzeit nicht davon aus, dass Quantencomputer so schnell für Aufruhr in der Kryptobranche sorgt. Hoskins sieht die Entwicklungen hier erst ganz am Anfang und spricht davon, dass die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt.